Elementarteilchenphysik – Lexikoneinträge
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Jedes Elementarteilchen besitzt ein Antiteilchen , das die gleiche Masse , den gleichen Spin und die gleiche Lebensdauer, aber entgegengesetzte elektrische Ladung und Farbladung trägt. Alle Antiteilchen zusammen nennt man auch Antimaterie , insbesondere, wenn sie zusammengesetzte Partikel bilden wie das Antiwasserstoffatom , das aus einem Antiproton und einem Positron besteht (s. u.). Treffen ein Teilchen und sein Antiteilchen aufeinander, können sie in einer Paarvernichtungsreaktion zerstrahlen, umgekehrt kann man ein Teilchen-Antiteilchen-Paar erzeugen, wenn man genügend Energie bereitstellt...
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Austauschteilchen nennt man in der Quantenphysik die „ Kraftquanten “, also die quantisierten Überträger der elektromagnetischen , der starken und der schwachen Wechselwirkung . Für den Elektromagnetismus ist dies noch einigermaßen anschaulich: Elektromagnetische Wellen bestehen im Quantenbild aus einzelnen Paketen, die man Photonen nennt und die die Austauschteilchen dieser Wechselwirkung bzw. Fundamentalkraft darstellen. Den Ausdruck „Austausch“ kann man dabei wörtlich nehmen: Wenn sich zwei geladene Körper elektrisch anziehen, werden quantenphysikalisch betrachtet zwischen ihnen virtuelle...
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Baryonen (von griech. barys „schwer“) sind Elementarteilchen , die aus drei Quarks bestehen. Die wichtigsten (und einzigen stabilen) Baryonen sind die beiden Nukleonen Proton und Neutron . Da Baryonen aus drei Spin-1/2-Teilchen bestehen, beträgt ihr Spin entweder 1/2 oder 3/2, sie sind also immer Fermionen . Wie alle frei beobachtbaren Teilchen sind sie nach außen farbneutral , ihre elektrische Ladung beträgt 0, 1 oder 2 Elementarladungen . Die Massen bzw. Ruheenergien der bekannten Baryonen liegen zwischen knapp 1 GeV bei den Nukleonen und etwa 6 GeV.
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Bosonen (nach Satyendranath Bose ) sind Elementarteilchen, die einen ganzzahligen Spin haben, also \(s = (0,\ 1,\ 2,\ \ldots)\cdot \hbar\) . Alle fundamentalen Elementarteilchen, d. h. nach heutigem Wissen wirklich elementaren Partikel, mit dieser Eigenschaft sind Austauschteilchen . Im Einzelnen sind dies das Photon \(\gamma\) , die Gluonen g, die Vektorbosonen \(\text W^\pm\) und Z 0 (alle mit s = 1) und das Higgs-Boson H ( s = 0). Zusammengesetzte Materie-„Elementarteilchen“ wie die Mesonen oder bestimmte Atomkerne können aber durchaus Bosonen sein. So besteht das Alphateilchen , also der...
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Der Compton-Effekt wurde 1922 von Arthur H. Compton und besteht in der Änderung von Frequenz bzw. Wellenlänge elektromagnetischer Wellen bei der elastischen Streuung an Elektronen . Trifft ein Photon auf ein ruhendes Elektron, gibt es analog zum klassischen elastischen Stoß zweier Teilchen Energie an das Elektron ab, die dieses als kinetische Energie E kin aufnimmt: \(E' = E - E_\text{kin}\) wobei E und \(E'\) die Photonenenergie vor bzw. nach dem Stoß bedeuten. Wegen \(E = h \cdot f\) bedeutet der Energieverlust beim Stoß eine geringere Frequenz f nach dem Stoß, es gilt \(h\cdot f' = h...
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Allgemein ist ein Stoß ein physikalischer Vorgang, bei dem zwei oder mehrere Objekte, die Stoßpartner , sich aufeinander zubewegen, miteinander in Wechselwirkung treten und sich anschließend mit in Betrag und Richtung veränderter Geschwindigkeit weiterbewegen (je nach Blickwinkel kann die veränderte Geschwindigkeit auch 0 sein!). Bei Elementarteilchen spricht man auch oft von Streuung . In der Mechanik untersucht man meistens den Stoß von zwei starren Körpern . Während der sehr kurzen Stoßzeit wirken sehr große Stoßkräfte , und die Impulse der Stoßpartner ändern sich praktisch augenblicklich...
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In der Elementarteilchenphysik ist d ie Farbladung ( Farbe ) das Analogon zur elektrischen Ladung , wenn es um Effekte der starken Wechselwirkung geht. Sie ist also die Quelle der Anziehungskräfte, welche die Quarks in Proton und Neutron und auch die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhalten. Außer den Quarks tragen nur die Gluonen eine Farbladung, Leptonen wie Elektron und Neutrino sind farbneutral , spüren also die starke Wechselwirkung nicht. Es gibt zwei wesentliche Unterschiede zwischen elektrischer und Farbladung: Während die elektrische Ladung nur die zwei Werte + und – annehmen...
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Fermionen (nach Enrico Fermi ) sind Elementarteilchen, die einen halbzahligen Spin haben, also \(s = \left( \dfrac 1 2,\ \dfrac 3 2,\ \dfrac 5 2,\ \ldots \right) \cdot \hbar\) . Alle fundamentalen Elementarteilchen, d. h. nach heutigem Wissen wirklich elementaren Partikel, mit dieser Eigenschaft sind Materie-„Elementarteilchen“, nämlich die Quarks und die Leptonen wie das Elektron , das Neutrino und ihre schwereren Verwandten. Fundamentale Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin sind Austauschteilchen . Aus Fermionen zusammengesetzte „Elementarteilchen“ können je nach Anzahl der enthaltenen...
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Im eigentlichen Sinn ist Gammastrahlung eine der drei „klassischen“ Formen von radioaktiver Strahlung , und zwar diejenige, die aus hochenergetischen elektromagnetischen Strhalungsquanten, d. h. Photonen besteht. Bei den meisten Alpha- und Betazerfällen werden auch Gammaquanten freigesetzt. Reine „Gammazerfälle“ gibt es nur insofern, als ein Atomkern in einem angeregten Zustand unter Aussendung eines Gammaquants in seinen Grundzustand übergeht. Dabei ändern sich aber weder Protonen- noch Neutronenzahl des Kerns. Im weiteren Sinn versteht man unter Gammastrahlen den energiereichsten Bereich des...
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Gluonen (nach engl. glue „Leim“) sind die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung , also sozusagen die Photonen der Kernkraft (Farbkraft), welche Proton, Neutron und Atomkern zusammenhält. Es gibt 8 verschiedene Gluonen, die jeweils den Übergang zwischen zwei verschiedenen der Farbladungswerte Rot, Grün, Blau und Antirot, Antigrün und Antiblau bewirken. Wie Photonen sind Gluonen masselos, elektrisch neutral und tragen den Spin s = 1. Sie besitzen jedoch jeweils selbst eine Farbladung und können sich daher gegenseitig anziehen. Es ist im Prinzip sogar möglich, dass zwei oder drei Gluonen...
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Das Higgs-Boson (nach Peter Higgs) ist ein fundamentales Austauschteilchen , das in den 1960er Jahren theoretisch vorhergesagt und 2012 experimentell nachgewiesen wurde. Es ist, wie der Name schon andeutet, ein Boson, hat allerdings anders als die übrigen Austauschbosonen den Spin 0. Seine Masse (genauer: Ruheenergie ) beträgt etwa 125 GeV, damit ist es das schwerste bekannte wirklich elementare Teilchen . Genau wie das Photon zum elektromagnetischen Kraftfeld und die Gluonen zum Quantenfeld der starken Wechselwirkung ( Farbkraft ) gehören, ist auch das Higgs-Boson quasi ein Wellenpaket einer...
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Als Leptonen bezeichnet man eine Gruppe von Elementarteilchen , die alle nicht an der starken Wechselwirkung teilnehmen, also farbneutral sind (griech. leptos heißt „schwach“). Sie unterliegen aber alle der schwachen Wechselwirkung . Alle Leptonen sind Fermionen , haben also halbzahligen Spin . Man unterscheidet die elektrisch geladenen Leptonen Elektron , Myon und Tauon (sowie ihre Antiteilchen) und die elektrisch neutralen Neutrinos , von denen es inklusive Antiteilchen ebenfalls sechs Stück gibt. Eine andere Gruppierung der Leptonen erfolgt nach den drei Generationen ( Familien ): Elektron...