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329 Elementarteilchen-Quarks Physik 10 1 6281
Kurzbeschreibung
Referat über Elementarteilchen und Quarks
Inhalt des Referats
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.
Quellenangaben des Verfassers
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