Aufbau der Materie

Die Bilder stammen z. T. von verschiedenen PowerPoint-Präsentationen aus dem Internet.

www-linux.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/PPT/Materie.ppt

www.theorie.physik.uni-giessen.de/documents/pib2001/AnimQuarks1.ppt

www.mppmu.mpg.de/english/tdot04_kiesling.pdf

Wie kann man kleine Objekte sichtbar machen?

Auge: ca. 1mm

Mikroskop: ca. 1/1000mm1/1000 mm = 1 Mikrometer

Lupe: ca. 0,1mm

Wie kann man noch kleinere Dinge sehen?Und was bedeutet eigentlich sehen?

Sehen bedeutet Abbilden

Von der Lichtquelle gehen Teilchen (Projektile) aus,

treffen das Zielobjekt und werden gestreut

und gelangen in den Detektor.

Wichtig: Projektile müssen „kleiner“ als die Strukturen des Objekts sein.

Unbekanntes Objekt soll entdeckt werden.Projektile: Basketbälle

Man kann das unbekannte Objekt noch nicht erkennen!Projektile sind noch zu groß!

Projektile: Tennisbälle

Man kann das unbekannte Objekt noch immer nicht erkennen!Die Projektile sollten noch kleiner sein!

Projektile: Murmeln

Jetzt ist das Monster zu erkennen!!! Nichts wie weg!

Man kann Objekte mit Wellen wie z.B. Licht sichtbar machen.Die Wellenlänge muss dabei kleiner als das Objekt sein.

Fisch stört die Welle nicht undbleibt daher „unsichtbar“.

Stab stört die Welle und kann daher „gesehen“ werden.

Objekte mit Wellen „beobachten“

Elektromagnetische Wellen

Verfügbare Wellenlängen

LW 3000 m

MW 300 m

KW 30 m

UKW 3 m

GPS 0.3 m

Infrarot 10-6 m

Licht 5 10-7 m 2 eV

UV 10-7 m 10 eV

Röntgen Strahlung 10-10 m 104 eV

γ-Strahlung 10-12 m 106 eV

.

Objekte mit Teilchen „beobachten“

Je höher die kinetische Energie der Teilchen ist, desto kleiner ist ihre Wellenlänge, desto kleinere Strukturen kann man sichtbar machen.

Z.B.

Auch Teilchen haben Welleneigenschaften und sind als Projektile geeignet.

Eine passende Energieeinheit für Projektile

Energie:1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 1019 Joule

Die Energie der Projektile gibt man in der Einheit Elektronenvolt eV an.

1 eV für Auflösung 10-6 m

1 keV für Auflösung 10-9 m

1 MeV für Auflösung 10-12 m

1 GeV für Auflösung 10-15 m

1 TeV für Auflösung 10-18 m

Energie und Auflösunsvermögen:

Atommodell von Rutherford 1911

1911 beschießt Rutherford eine Goldfolie mit Helium-Kernen.

Erklärung der Streuung:Im Atom mit einem Durchmesser von 100000 fm ist die Masse in einem positiv geladenen Kern der Größe < 5 fm konzentriert.

Entdeckung des Neutrons 1932

1932 beschießt Chadwick Beryllium mit Heliumund entdeckt dabei das Neutron.

Beginn der Kernphysik

Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut.

Neutron = ungeladenes Proton, fast genauso schwer

Entdeckung der Antimaterie

1932 entdeckt Anderson in der Höhenstrahlung das Positron.

Es unterscheidet sich vom Elektron allein durch die positive Ladung.

e+

Ein „schweres“ Elektron wird entdeckt

1937 wird in der Höhenstrahlung das Myon entdeckt.

Das Myon unterscheidet sich vom Elektron allein dadurch, dass es etwa 207 mal so schwer ist!

µ

Weitere Teilchen folgen

1947 Pionen

1949 Kaonen

+ _

K

+K K

_

1949 Pion o

1951 Lambda o

1951 Kaon Ko

1953 Sigma +

Die neuen Teilchenbeschleuniger liefern in den folgenden Jahren immer mehr Teilchen.

1965 waren es schon mehr als 100 „Elementarteilchen“.

Teilchenfamilien

Die Teilchen kann man in unterschiedliche Familien einteilen:

Hadronen Teilchen, die die starke Kernkraft spüren

LeptonenTeilchen, die die starke Kernkraft nicht spüren

Elektronen und Neutrinos

BaryonenSchwere HadronenZ.B. Proton, Neutron,Lambda, ...

MesonenLeichte Hadronen,die bei Reaktionen am Kern erzeugt werden, wie z.B.Pionen, Kaonen, ...

Quarks

1963 gelingt es Gell-Mann, eine neue Ordnung in die Hadronenfamilie zu bringen.

Alle bis 1963 bekannten Hadronen kann man sich aus drei verschiedenen Quarks (und ihren Antiquarks) aufgebaut denken.Die Quarks heißen up, down und strange (u, d und s).

Baryonen bestehen dabei immer aus drei Quarks

Mesonen bestehen immer aus einem Quark und einem Antiquark.

u

d

d

uu

p

du

d

n

s

u

Eigenschaften der Quarks

Quarks haben seltsame elektrische Ladungen!

Name Zeichen Ladung Q

up-Quark u 2/3 e

down-Quark d -1/3 e

strange-Quarks s -1/3 e

Damit erhält das Proton mit uud die Ladung 2/3e + 2/3e – 1/3e = +1e

und das Neutron erhält mit udd die Ladung 2/3e – 1/3e – 1/3e = 0e .

Quarks bekommen Farbe

Um zu erklären, dass immer nur 3 Quarks (Baryonen) oder aber ein Quark und ein Antiquark (Mesonen) auftreten, gibt man den Quarks die Eigenschaft Farbe (rot, grün und blau für Quarks und antirot (cyan), antigrün (magneta) und antiblau (gelb) für Antiquarks) und sagt:Es treten immer nur Kombinationen von Quarks auf, die die Farbe weiß haben.

Quarks gibt es nie alleine

Da ein einzelnes Quark nie die Farbe weiß hat, kann man ein einzelnes Quark auch nie beobachten.Aber was passiert, wenn man trotzdem versucht, die Quarks zu trennen?

Es entstehen ganz einfach neue Hadronen!

Neue Unruhe im TeilchenzooDie drei Quarks u, d und s reichen nicht aus, um die neu gefunden Teilchen zu beschreiben.

Drei zusätzliche Quarks (charm c, bottom b und top t)werden theoretisch benötigt und schließlich auch gefunden!

Die drei Quark-Familien

Flavour Generation Symbol  Massen in MeV/c2  elektrische  Ladung in e 

up   down I. 

u   d

1,5 bis 5   17 bis 25

+2/3   -1/3

strangecharm II. 

s   c

60 bis 170   1100 bis 1400

-1/3   +2/3

bottomtop

III. b   t

4100 bis 4400   173800 +/- 5200

-1/3   +2/3

Mit 6 Quarks und den zugehörigen Antiquarks kann man alle Baryonen beschreiben.

Aus Experimenten kann man herauslesen, dass es keine weitere Quark-Familie gibt.

Die drei Leptonen-Familien

Auch von den Leptonen gibt es genau drei Familien.

• Elektronen

• Myonen = schwere (210 x) Elektronen

• Tauonen = noch schwere (3500 x) Elektronen

• + jeweils 1 zugehöriges Neutrino

Eigenschaften der Leptonen

Name GenerationSymbol 

Ruhe-masse in MeV/c2 

Elektr. Ladung in e 

Lebensdauer

Elektron-Neutrino  Elektron I. 

e  

e

< 15.10-6   0,511

0   - 1

 

Müon-Neutrino  Müon II. 

  

< 0,17  105,7

0   - 1

 

2,197.10-6 s

Tauon-Neutrino  Tauon III.

  

< 24   1777

0   - 1

  3,05 .10-13 s

Aufbau jeglicher Materie

Jedes noch so kurzlebige Materieteilchen kann man aus den „echten Elementarteilchen“ der drei Quark- bzw. Leptonen-Familien (sowie den zugehörigen Antiteilchen) aufbauen.

Aufbau der uns umgebenden Materie

Fundamentale Bausteine der uns umgebenden Materie sind:

– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d

– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

Es verabschieden sich das Proton und das Neutron

Ende