Quantenphysik – Lexikoneinträge
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Unter Absorption (von lat. absorbere „verschlucken“) versteht man in der Physik zweierlei: In Optik , Astronomie und Spektroskopie ist Absorption die Schwächung der Intensität einer elektromagnetischen Welle oder die Verringerung der Energie von Teilchenstrahlung beim Durchgang durch Materie. Das absorbierende Material heißt Absorber . Die absorbierte Energie wird in Wärmeenergie (die Absorptionswärme ) umgewandelt oder durch Anregung oder Ionisierung der Atome bzw. Moleküle des Absorbers verbraucht. Wenn die Atome bzw. Moleküle eines Stoffs bei der Anregung nur bestimmte Energiebeträge E (...
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Die Anregungsenergie ist die Energie , die ein Quantensystem aufnehmen ( absorbieren ) muss, um in einen bestimmten „angeregten“ Energiezustand überzugehen. Beim anschließenden Übergang in den Grundzustand oder einen anderen Zustand mit niedrigerer Energie ( Abregung , Rekombination ) wird diese Energie wieder frei, z. B. durch Emission eines Photons mit passender Energie bzw. Frequenz. Sind E 0 die Energie des Grundzustands und E 1 die Energie des angeregten Zustands, so ist die Anregungsenergie die Differenz \(\Delta E = E_1 - E_0\) . In der Atomphysik (z. B. beim Franck-Hertz-Versuch ) gibt...
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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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Ein Atom ist ein Grundbaustein der Materie. Chemische Elemente unterscheiden sich voneinander im Aufbau ihrer jeweiligen Atome. Früher dachte man, Atome seien „unerzerteilbar“ (dies ist die wörtliche Übersetzung des griechischen „atomos“) und damit die kleinsten denkbaren Materiebausteine. Heute weiß man, dass Atome einen teils sehr komplizierten inneren Aufbau haben und es noch mehrere Hierachieebenen zwischen Atomen und den nach aktuellen Vorstellungen kleinsten Elementarteilchen gibt. Im modernen Atommodell besteht das Atom aus einem elektrisch positiv geladenen Kern , der von einer Hülle...
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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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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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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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Der Grundzustand ist der stationäre Zustand eines Quantensystems ( Atom , Molekül , Kern oder Nukleons mit der jeweils niedrigstmöglichen Energie . Die Elektronen in Atomen und Molekülen sowie die Nukleonen im Kern befinden sich normalerweise im Grundzustand. Durch Zufuhr eines bestimmten Energiebetrags, der Anregungsenergie , können sie in einen angeregten Zustand gebracht werden, kehren aber meist nach kurzer Zeit wieder in den Grundzustand zurück. Nur bei sog. metastabilen Zuständen , die man u. a. bei bestimmten radioaktiven Isotopen sowie bei der Fluoreszenz findet, bleibt der angeregte...
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GUT und TOE sind zwei engl. Akronyme, die für Grand Unified Theory (Große Vereinheitlichte Theorie) und Theory Of Everything (Theorie Von Allem) stehen. Damit gemeint sind theoretische Ansätze, welche – im Fall einer GUT – die Quantentheorien der fundamentalen Kräfte Elektromagnetismus , starke und schwache Wechselwirkung vereinheitlichen bzw. sogar die gesamte Quantenphysik und die Allgemeine Relativitätstheorie , also die aktuelle Theorie der Gravitation , in einem Modell zusammenführen. Während mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik eine GUT im Prinzip in den Grundzügen vorliegt...