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Lexikon Physik

Schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung

Die schwache und die starke Wechselwirkung bzw. Fundamentalkraft sind zwei Grundkräfte, die zusammen mit Elektromagnetismus und Gravitation allen physikalischen Prozessen zugrundliegen.

Beiden Kräften ist gemein, dass sie nur auf extrem kurzen Abständen zutage treten (die starke Wechselwirkung ungefähr bei Abständen in der Größenordnung des Protonendurchmessers, also etwa \(1\,\text{fm} = 10^{-15}\,\text m\), und kleiner, die schwache sogar nur bei noch kleineren Abständen \(< 10^{-16}\,\text m\)). Es gibt aber mehrere grundsätzliche Unterschiede:

  • Die starke Wechselwirkung oder Farbkraft wirkt zwischen allen Teilchen, die eine Farbladung besitzen, d. h. zwischen den Quarks und auch den Gluonen. Letztere sind die Feldquanten (Austauschteilchen) der Farbkraft. Sie sind masselos wie das Photon, weshalb die Reichweite dieser Kraft eigentlich wie beim Elektromagnetismus unendlich groß sein müsste. Da aber die Gluonen selbst eine Farbladung tragen, ziehen sie sich auch gegenseitig an, was letztlich dazu führt, dass die Stärke der Farbkraft mit dem Abstand immer mehr zunimmt. Bereits bei ca. 1 fm Abstand zwischen zwei Farbladungen entstehen durch Paarerzeugung neue Quarks, welche die starken Kräfte abschirmen.
    Die starke Wechselwirkung ist etwa 100-mal stärker als die elektromagnetische Anziehung bzw. Abstoßung. Selbst die weitgehend abgeschirmte Anziehung zwischen den Quarks zweier benachbarter Protonen, die sog. Kernkraft, ist noch größer als die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen – dies ist der Grund dafür, dass Atomkerne zusammenhalten.
  • Die schwache Wechselwirkung ist, wie der Name schon andeutet, 10-Billionen-mal schwächer als die elektromagnetische Wechselwirkung. Sie macht sich vor allem dadurch bemerkbar, dass alle bekannten Elementarteilchen von ihr betroffen sein können, also auch solche, die wie die Neutrinos weder eine elektrische noch eine Farbladung tragen. Außerdem können über die schwache Wechselwirkung Teilchen ihre Natur ändern – also z. B. kann ein Elektron zum Neutrino werden oder ein Up-Quark zum Down-Quark (dies steckt hinter dem radioaktiven Betazerfall).
    Seit den 1970er Jahren weiß man, dass die schwache und die elektromagnetische Wechselwirkung eigentlich nur zwei Aspekte derselben „elektroschwachen“ Fundamentalkraft sind, ähnlich wie Elektrizität und Magnetismus. Die drei Austauschteilchen der schwachen Kraft (die elektrisch geladenen Bosonen W+ und W und das ungeladene Z0) sind also direkte Geschwister des Photons, mit dem großen Unterschied, dass sie Ruhemassen (genauer: Ruheenergien) von 91 bzw. 80 GeV besitzen. Aus dieser Ruhemasse des Austauschteilchens kann man direkt die Reichweite der schwachen Kräfte ausrechnen.

 

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