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Titel:

Elementarteilchen Quarks


  Note: 1   Klasse: 10









Arbeit: Elementarteilchen und Quarks
R e f e r a t

Inhalt
Elementarteilchen
Einleitung
Geschichte
Eigenschaften
Wechselwirkung
Teilchen/Antiteilchen
Elektron und Neutrino
Elektron
Neutrino
Quarks
Zerlegung des Protons
Farben
Ladungen
Mesonen
Klassifikation
Präsentationsanweisungen:
Syntax:
Beginn der Präsentation


Elementarteilchen
Einleitung


Woraus besteht die Welt
- Eine Frage, mit der sich Menschheit schon seit der Antike Jahrtausende lang
beschäftigt...
Eine 100% richtige Antwort kann darauf wohl niemand geben. Aber wir wollen
euch heute eine ungefähre Vorstellung vermitteln wie es wohl am
Wahrscheinlichsten ist. Wir nehmen euch mit auf eine Reise, die uns bis in die
Kleinsten Teile unserer Materie führen soll.

[Folie Elementarteilchen und Quarks(II)]
Schon in der Antike vertrat Demokrit die Ansicht, dass die Welt aus kleinsten
unteilbaren Teilchen, die er nach dem griechischen Wort unteilbar: Atomus
Atome benannte, und aus Leere bestehe.

Wie wir bereits wissen geriet diese Vorstellung, erst einmal in Vergessenheit
und viele andere Theorien wurden entwickelt, aber unsere heutige Vorstellung
geht wieder auf genau diese Idee zurück. Etwa im 18. Jahrhundert wurde diese
Idee wieder aufgenommen.

Man entdeckte das z.B. ein kleiner Tropfen Wasser noch auch unglaublich
vielen kleineren Teilen bestand. Nun dachte man, man hätte Demokrits
unteilbare „Atome“ tatsächlich gefunden und nannte die entdeckten Teilchen
auch danach. Das unsere Atome jedoch ganz und gar nicht unteilbar sind, wurde
erst später herausgefunden

Im 20. Jahrhundert wurde nämlich u.a. durch Rutherford der Aufbau der Atome
erforscht, den wir ja inzwischen gut kennen. Ein Atom besteht aus einer Hülle in
der sich Elektronen und „leere“ befindet und dem Kern. Dieser Kern besteht aus
den Nukleonen, also den Protonen und Neutronen.

Aber damit ist noch nicht Schluss, auch jene unvorstellbar kleinen Nukleonen
bestehen aus weiteren noch kleineren Teilchen, der Gruppe der
Elementarteilchen, den sogenannten Quarks.

[Folie Eigenschaften]
Elementarteilchen sind die Grundbausteine der Materie, die sich im Grunde
genommen in nicht kleinere Teilchen zerlegen lassen.
Jedes Elementarteilchen ist individuell gekennzeichnet durch seine
physikalischen Eigenschaften. Hierzu gehören Masse, Ladung, der Spin, der
eine Art Eigendrehung der jeweiligen Elementarteilchen ist und eigentlich bei
allen Elementarteilchen halbzahlig ist, und der Wechselwirkungen denen sie
unterliegen.

[Folie Wechselwirkungen]
Elementarteilchen wirken aufeinander Kräfte aus. Diese Kraftwirkungen fasst
man unter dem Begriff der „Wechselwirkung“ zusammen. Es sind vier Arten der
Wechselwirkung bekannt:
Wechselwirkung Reichweite (cm)
- Starke Wechselwirkung <= 10^-13
- Elektromagnetische Wechselwirkung €
- Schwache Wechselwirkung <= 10^-13
- Gravitation €
Die Starke Wechselwirkung sorgt für den Zusammenhalt des Kerns, sorgt also
dafür, dass Protonen und Neutronen zusammenhalten.
Die Elektromagnetische Wechselwirkung ist zum Beispiel für
Elektronenumstrukturierung, wie bei einer chemischen Reaktion, entscheidend.
Die Schwache Wechselwirkung ist stets für radioaktive Zerfallsprozesse
verantwortlich.
Die Gravitation wirkt auf alle Teilchen. Ihr sogenanntes Gravitationsfeld hat
genau wie das Feld der elektromagnetischen Wechselwirkung eine endlose
Reichweite.
Teilchen/Antiteilchen

[Folie Antiteilchen]
Zu jedem Elementarteilchen gibt es immer ein sogenanntes Antiteilchen.
Ein Antiteilchen hat immer genau die umgekehrte Ladung zu dem
entsprechenden Elementarteilchen. Zum Beispiel hat das Elektron ja eine
Ladung von –1e, sein Antiteilchen ist das Positron mit einer Ladung von +1e.
Man bezeichnet rein aus Antiteilchen bestehende Materie als Antimaterie.
Erstmals 1970 ist es gelungen Antiwasserstoff zu erzeugen, das heißt das die
Kerne der Atome negativ geladen waren und um sie Positronen kreisten.
Heute vermutet man, das es sogar ganze Galaxien aus Antimaterie gibt.
Elektron/Neutrino

[Folie Elektron-Neutrino]

Elektron
Das erste entdeckte Elementarteilchen ist das Elektron. Oftmals wird das
Elektron in Formeln oder Texten durch sein Symbol e- abgekürzt.
Das Elektron ist ein elektrisch negativ geladenes Teilchen mit einer Ladung von
–1e. e ist die sogenannte Elementarladung, die der Ladung von einem Proton
entspricht oder auch der negativen Ladung von einem Elektron entspricht. Ein
Elektron reagiert auf die schwache Wechselwirkung, Gravitation und
insbesondere auf die elektromagnetische Wechselwirkung.
Das Elektron wurde im Zusammenhang mit dem elektrischen Strom entdeckt
und bis heute gilt es immer noch als unteilbares Teilchen.
Elektronen bilden die Elektronenhülle der Atome (bzw. Ionen).
Ihre freie Beweglichkeit in Metallen ist die Ursache für die elektrische
Leitfähigkeit von metallischen Leitern.
Nach den bisher erreichten Auflösungen besitzen Elektronen keine innere
Struktur und können somit als punktförmig angenommen werden.

Neutrino
Neben dem Elektron gibt es noch das sogenannte Neutrino. Das Neutrino ist im
Prinzip nur ein sehr leichtes ungeladenes Elementarteilchen, dass beim BetaZerfall
von Radioaktiven Kernen eine Rolle spielt. Das Neutrino war eins der
am schwersten nachzuweisenden Elementarteilchen. Da das Neutrino keine
Ladung besitzt und nur durch die schwache Wechselwirkung und Gravitation
beeinflusst wird konnte es von allen möglichen Detektoren der
Teilchenbeschleuniger nicht entdeckt werden. Sein nachweiß ist allein dadurch
möglich, da man alles andere (außer das Neutrino messen konnte) da es aber nun
einmal den „Energieerhaltungssatz“ gibt muss die Energie und Masse die in den
Teilchenbeschleuniger „gesteckt“ wurde auch wieder herauskommen“. Somit
konnte man die verlorene Energie berechnen und die Masse eines Neutrinos
bestimmen. Neutrinos entstehen in großer Zahl bei Fusionen in der Sonne, so
sind Neutrinos mittlerweile für das Verständnis bei der Beobachtung von
Prozessen in der Sonne von großer Bedeutung.
Quarks

[Folie PROTON 1]
Nun möchten wir zu einem Teilchen kommen, das euch schon sehr bekannt sein
sollte: dam Proton.
Wie wir bereits erwähnt haben ist selbst das Proton nicht unteilbar.

Stellt euch nun vor, dass in einem Teilchenbeschleuniger wie zum Beispiel
CERN ein Proton mit Elektronen beschossen wird. Wäre die Masse in einem
Proton wie eigentlich nicht anders zu erwarten, gleichmäßig verteilt. Das Proton
wäre also elementar und nicht teilbar, dann würden, wie zu sehen ist, die
Elektronen alle gleichmäßig schwach abgelenkt werden bzw. hindurchgehen.

[Folie PROTON 2]

Tatsächlich jedoch scheinen die Elektronen an bestimmten Stellen durch das
Proton hindurchzufliegen wobei an anderen Stellen sie vollständig abgelenkt
werden und in eine andere Richtung geworfen werden.
Die Lösung für dieses Problem: Auch Protonen und Neutronen sind weiter
teilbar in noch kleinere Teilchen. Diese Teilchen nennt man Quarks.

[Folie Quarks - Farben]
Quarks bilden in dreier Gruppen oder Zweierpaaren Teilchen wie das Proton.
Dabei haben sie eine besondere Eigenschaft die man als Farbe bezeichnet,
worunter man sich jedoch keine echte Farbe vorstellen darf.
Ein Teilchen kann nur so aus Quarks gebildet werden, dass es immer
Farbneutral ist also zum Beispiel ein rotes, grünes und ein blaues Quark
zusammen, denn Rot + Grün + Blau = weiß. Es ist aber auch möglich Ein
Teilchen zu bilden aus einem roten und einem antiroten Quark.

[Folie Quarks - Ladungen]

Neben ihrer Farbe besitzen Quarks eine euch wohl eher bekanntere Eigenschaft
und zwar ihre elektrische Ladung. Quarks haben verschieden Ladungen. Die
Ladung der Quarks ist jedoch anders als bei der Ladung von Elektronen und
Protonen kein ganzzahliger Wert, sie beträgt die Werte 2/3e und –1/3e, sowie
die umgekehrten Werte bei den Antiteilchen. Es gibt genau 6 verschiedene
Quarks: Up-, Down-, Charm-, Strange-, Top-, Bottom- Quark.
Bei der Bildung von Protonen und Neutronen sind jedoch ausschließlich das
Up- und Down- Quark entscheidend.
Ein Proton besteht aus 2 Up- und einem Down- Quark und hat so eine Ladung
von 1e , während ein Neutron ein Up- und 2 Down- Quarks hat und somit
elektrisch neutral ist.
Im allgemeinen nennt man Teilchen die sich aus drei Quarks zusammensetzen
Baryonen.

[Folie Quarks - Mesonen]
Teilchen die aus zwei Quarks bestehen nennt man Mesonen. Sie werden aus
jeweils einem Quark und einem Antiquark gebildet, und sind alle instabil, das
heißt, dass sie nach kurzer Zeit wieder Zerfallen. Ein Beispiel für ein Meson ist
das positive Pion. Es wird aus einem Up- und einem Antidown- Quark gebildet
und hat somit eine Ladung von +1e.
Klassifikation

[Folie Klassen der Elementarteilchen]
Wie euch vielleicht schon bei den Quarks aufgefallen ist gibt es mehrere
Teilchen die ähnliche Eigenschaften haben in diesem Fall zum Beispiel beim
Up- und Top- Quark die selbe Ladung. Dennoch sind es ja nicht die gleichen
Teilchen. Man teilt die Elementarteilchen somit in noch weiter Gruppen ein.
Und zwar in zweierlei Arten einmal in Klassen und einmal in Familien oder
auch Generationen genannt. Es gibt 2 Klassen in die Elementarteilchen
eingeteilt werden:
1. Quarks
2. Leptonen
In jeder der beiden Klassen sind aktuell 6 Elementarteilchen (Antiteilchen
ausgeschlossen) bekannt.
Zu den Leptonen gehören die Elementarteilchen, die keine starke
Wechselwirkung haben. Zu ihnen gehört also Beispielsweise das Elektron.
Zu den Quarks hingegen gehören die Teilchen, die der starken Wechselwirkung
unterliegen.
Wie bereits erwähnt werden Elementarteilchen dann auch noch 3 Familien
zugeordnet. Jede Familie enthält 4 Teilchen also 2-Quarks und 2-Leptonen
In jeder Familie lässt sich nun jeweils 1 Elementarteilchen finden, dessen
Eigenschaften sich mit dem eines anderes ähnlich sind. So haben zum Beispiel
das Up- und das Top- Quark genau gleichen Ladungen, was sie jedoch erheblich
voneinander unterscheidet sind ihre Massen. Das Top-Quark ist etwa 34800 mal
so schwer wie das Up- Quark.
Was wir noch nicht gesagt haben ist, dass es eigentlich nicht ein Neutrino
sondern genau drei gibt, jeweils eins für das entsprechende Lepton (Elektron,
Myon, Tau).
Presentationsende

[Folie Elementarteilchen und Quarks(III)]

Das war unser Referat über Elementarteilchen und Quarks und wir hoffen
es hat euch gefallen, solltet ihr noch irgendwelche Fragen habt könnt ihr
die gerne noch stellen.









Quelle: Internet-Quellen: http://de.wikipedia.org/wiki/Elementarteilchen http://de.wikipedia.org/wiki/Quark_(Physik) http://press.web.cern.ch/ www.kph.tuwien.ac.at/element/start_d.html#Hadron Buch-Quellen: Was Ist Was-Antwortbuch dtv-Atlas Physik Band 2 Andere: Encarta Encyclopedie 99




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