Elementarteilchen

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Einleitung

Elementarteilchen, ursprünglich Materieeinheiten, von denen man glaubte oder vorläufig annahm, dass sie die grundlegenden Bausteine der Materie seien. Im Prinzip sind Elementarteilchen die Bausteine der Materie, die sich nicht in noch kleinere Einheiten zerlegen lassen.

Lange Zeit galten die Atome als die kleinsten Grundeinheiten der Materie. Jedoch gelang es mit der technischen Weiterentwicklung von zum Teil hochkomplizierten Mess- und Forschungsanlagen immer weiter in den Mikrokosmos der Materie vorzudringen und immer kleinere Teilchen zu entdecken. Mittlerweile ist eine beachtliche Anzahl von verschiedenen Elementarteilchen bekannt, die teilweise in großen Gruppen eingegliedert werden (siehe unten). Heutzutage fasst man im Allgemeinen unter dem Begriff Elementarteilchen alle subatomaren Teilchen zusammen. Der Forschungs- und Wissenschaftszweig Elementarteilchenphysik – die Lehre von den Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen – wird manchmal auch als Hochenergiephysik bezeichnet. Dies hängt mit den teilweise extrem hohen Energieaufwendungen zusammen, die gemäß der Heisenberg’schen Unschärferelation notwendig sind, um in subatomaren Abständen präzise Untersuchungen anstellen zu können. Siehe auch Physik

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Geschichte der Teilchenphysik

Die Teilchenphysik stellt die derzeit letzte Stufe in der Erforschung immer kleinerer Bausteine der Materie dar. Vor dem 20. Jahrhundert befassten sich Physiker mit den Eigenschaften der Materie hauptsächlich im makroskopischen Bereich. Im späten 19. Jahrhundert aber zog die Physik der Atome und Moleküle ihr Interesse auf sich. Atome und Moleküle haben Durchmesser von ungefähr 10^-10 Metern, und Untersuchungen an deren Aufbau leisteten der Quantentheorie zwischen 1925 und 1930 großen Vorschub. In den frühen dreißiger Jahren begannen Physiker dann, der Gestalt von Atomkernen auf den Grund zu gehen. Diese haben Durchmesser von 10^-15 bis 10^-14 Metern. Mit diesen Erkenntnissen waren auch die Grundlagen erschlossen, um praktischen Gebrauch von der Kernenergie machen zu können, etwa in Form von Kernkraftwerken oder Kernwaffen. In der Zeit nach dem 2. Weltkrieg wurde aber auch die Notwendigkeit immer deutlicher, die Gestalt der Elementarteilchen gründlich zu erforschen, um den grundlegenden Aufbau der Atomkerne verstehen zu können.

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Einteilung

Heute sind mehrere hundert Elementarteilchen experimentell bekannt. Sie lassen sich in verschieden große Klassen einteilen. Hadronen und Leptonen sind nach der Kraftwechselwirkung klassifiziert, der sie unterliegen (siehe weiter unten). Die Übertragung dieser Kräfte oder Wechselwirkungen erfolgt über eine weitere Art von Teilchen, die so genannten Boten- oder Austauschteilchen. Beispiele hierfür wären die so genannten Eichbosonen (siehe begleitende Tabelle).

Protonen und Neutronen sind die Grundbestandteile von Atomkernen, die wiederum zusammen mit Elektronen Atome bilden. Photonen stellen die Einheit der elektromagnetischen Strahlung dar, wobei das Spektrum u. a. von den Radiowellen, über das sichtbare Licht bis hin zu den Röntgenstrahlen (siehe Röntgenstrahlung) reicht. Ein freies, also nicht in einem Kern gebundenes Neutron ist nicht stabil, sondern zerfällt in drei Einheiten: in ein Proton, ein Elektron und in ein Antielektronneutrino (siehe Neutrino). Dieser Vorgang lässt sich durch folgende Gleichung wiedergeben:

n→p + e + e

Das freie Neutron hat eine mittlere Lebensdauer von 917 Sekunden. Im Verband mit Protonen ist das Neutron aber stabil, und Atomkerne, wie etwa von Sauerstoff 16 oder von Eisen 56, lassen sich als stabile Kerne aufbauen. Die meisten der bis heute bekannten Elementarteilchen wurden seit 1945 zum Teil in der kosmischen Höhenstrahlung (siehe kosmische Strahlen) entdeckt, zum Teil in Hochenergiebeschleunigern (siehe Teilchenbeschleuniger). Darüber hinaus werden noch viele weitere Teilchen als vorhanden angenommen, die bislang aber noch nicht experimentell nachgewiesen werden konnten (siehe Teilchendetektoren). Das Graviton ist ein Beispiel hierfür, von dem man annimmt, dass es die Gravitationskraft überträgt. Siehe auch Gravitationswellen

Im Jahr 1930 sagte der britische Physiker Paul A. M. Dirac auf rein theoretischen Grundlagen voraus, dass es zu jedem Elementarteilchen genau ein zugehöriges Antiteilchen geben muss (siehe Antimaterie). Im Jahr 1932 fand der amerikanische Physiker Carl D. Anderson das Antiteilchen des Elektrons und nannte es Positron. Das Antiproton konnte 1955 von den amerikanischen Physikern Owen Chamberlain und Emilio Segrè nachgewiesen werden. Inzwischen weiß man, dass Diracs Vorhersage für alle Elementarteilchen gültig ist, wobei es aber auch solche wie das Photon gibt, die selbst ihr eigenes Antiteilchen sind. In der physikalischen Notation ist es üblich, die Symbole für Antiteilchen mit einem Querbalken zu versehen, und man schreibt etwa _e für das Antiteilchen zu v_e.

Weiterhin ist es üblich, Teilchen auch nach dem Betrag ihrer Spins (Eigendrehimpulse) einzuteilen. Diese Einteilung findet Anwendung auf Bosonen und Fermionen, wobei der Spin von Bosonen ein ganzzahliges Vielfaches, der Spin von Fermionen dagegen ein halbzahliges und ungerades Vielfaches einer bestimmten Naturkonstanten beträgt.

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Wechselwirkungen

Elementarteilchen üben Kräfte aufeinander aus, und es werden ständig neue gebildet sowie paarweise vernichtet. Diese Kraftwirkungen und die Vorgänge der Erzeugung und Paarvernichtung hängen miteinander zusammen und werden zusammenfassend Wechselwirkungen genannt. Vier Arten der Wechselwirkung sind bekannt:

Die starke Wechselwirkung ist die Stärkste von diesen Arten. Sie hält beispielsweise Protonen und Neutronen zusammen und ermöglicht auf diese Weise den Aufbau von Atomkernen. Die darauf folgende Wechselwirkung ist die elektromagnetische Wechselwirkung. Diese Kraft ist in erster Linie dafür verantwortlich, in Atomen oder Molekülen die Elektronen an die Atomkerne zu binden. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist deshalb von so großer praktischer Bedeutung, weil bei allen chemischen Reaktionen eine Umstrukturierung der elektromagnetischen Bindungen von Elektronen an Kerne erfolgt. Erheblich schwächer ist die so genannte schwache Wechselwirkung, die den radioaktiven Zerfall von Atomen steuert. In den Jahren von 1896 bis 1898 beobachteten und entdeckten die französischen Physiker und Chemiker Antoine H. Becquerel, Pierre Curie und Marie Curie das Phänomen der Radioaktivität. Die Gravitationswechselwirkung schließlich ist zwar die schwächste von allen, ist aber in vielen Belangen von sehr weit reichender Bedeutung.