Sebastian Frank Für Neugierige von 10 bis 14 Jahren Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?

Sebastian FrankFür Neugierige von 10 bis 14 Jahren

Wie erzeuge ich einen Mini-Urknall?

Sebastian

Neuen, besseren Titel finden!

Sebastian

Dieser Vortrag ist für Unterstufenschüler (10 - 14 Jahre) ausgelegt und dauert rund eine (Schul-)stunde inkl. Interaktion.Eine Präsentationsfernbedienung ist bei den vielen, schrittweisen Einblendungen auf den Folien sehr empfehlenswert!Für das interaktive Spiel benötigt man die Elementarteilchenkugeln inkl. Higgs-Boson und exkl. Dark Matter Teilchen (für die optimale Zusammenstellung der Teilchen siehe weiteres Kommentar auf dieser Folie).Das Video zum Schluß ist mit meiner Stimme unterlegt, damit man weiß, was man wann ungefähr während der Videovorführung sagen kann. Die Audiospur dient also nur als Vorlage zum Einstudieren des Textes, der Vortragende muß sich diesen Text merken und live vortragen (und bei der Präsentation den Ton stummschalten)!Viel Freude beim Nutzen!Sebastian Frank, Oktober 2009

Sebastian

Folgende 14 Teilchen unbedingt in einem Kübel austeilen:3 Quarks up, up & down, nur einmal rot, grün bzw. blauElektron & sein NeutrinoMüonPhotonW- & Z-Bosonen3 Gluonen (rot-grün, rot-blau, grün-blau)Higgs-BosonDie restlichen Teilchen (in 2. Kübel bereitstellen) können prinzipiell beliebig sein, es dürfen aber keine weiteren up- & down-Quarks, Gluonen sowie das Dunkle Materie Teilchen ausgeteilt werden!

2Die Elementarteilchen und das UniversumSebastian Frank

Vom Allergrößten zum Allerkleinsten(und zurück)


Unsere Alltagswelt

Unsere vertraute WeltGrößenordnung:

1 mm – 1 kmKräfte im Alltag:

– Gravitation („Schwerkraft“)

– Elektromagnetismus (Licht!)


Der Nachthimmel

Im Nachthimmel sehen wir viele weitere Welten

Blick in die Ferne =Blick in die Vergangenheit

Warum?– Licht ist nicht unendlich

schnell!– Licht von fernen Objekten

braucht Zeit, um zu uns zu gelangen

– Wie sehen Objekte so, wie sie früher ausgesehen haben (Zeitmaschine!)


Die Sonne

Mittlere Entfernung:1,49 × 100.000.000.000 m= 1,49 × 1011 m

Distanz entspricht8,3 Lichtminuten

Wir sehen Sonne, wie sie vor rund 8 Minuten war (Vergangenheit)

Erde


Alpha Centauri

Nächstgelegene Sternsystem

DoppelsternsystemEntfernung:

4,1 × 1016 mDistanz entspricht

4,3 Lichtjahre


Andromeda-Galaxie (M31)

NachbargalaxieTyp: SpiralgalaxieEntfernung:

2,4 × 1022 m 2,5 × 106 Lichtjahre

Mit bloßem Auge sichtbar!

1022 m = 10.000.000.000.000.000.000.000 m


Am Rande des sichtbaren Universums

Bild zeigt die am weitesten entfernten Galaxien

Entfernung:13 × 109 Lichtjahre 1,2 × 1026 m

Alter des Universums:13,7 Milliarden Jahre

Bild zeigt 700 Millionen Jahre junges Universum!

Aber wie ist unser Universum entstanden?


Der Urknall

Vor 13,7 Milliarden Jahren wurde das Universum geboren!

Entstehung von Materie, Raum und Zeit

Am Anfang gab es eine Menge verschiedener Elementarteilchen (nicht weiter zerlegbare Teilchen)

Diese Teilchen waren frei und noch nicht in Materie eingesperrt

Diese Zeit werden wir nun nachspielen!


Spielregeln I

1.Ich komme mit einem Kübel voller Teilchen zu euch, jeder sucht sich ein Teilchen aus

2.Jeder bleibt dabei ruhig an seinem Platz sitzen

3.Jeder sieht sich sein Teilchen gut an und versucht es sich zu merken (Buchstabe, Symbol)

e-

u

u

d

e

g

W+


Spielregeln II

4. Zu Beginn waren alle Teilchen „am Leben“ und frei

5. Wer „am Leben“ ist, hält das Teilchen weiter in der Hand

6. Teilchen können aber „aussterben“

7. Wer „stirbt“, gibt das „ausgestorbene“ Teilchen zurück in den Kübel

Nicht vergessen, die Teilchen sind nur ausgeborgt!

e-

u

u

d

e

g

W+


Der Urknall und die Elementarteilchen

Zu Beginn war Universum extrem heiß und extrem dicht

Dadurch entstanden eine Menge verschiedenster Elementarteilchen

Diese Teilchen flogen wild umher und bewegten sich frei

1027 °C = 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000 °C

e-

u

d

e

g


Der Urknall und die Elementarteilchen

Universum dehnt sich aus und kühlt sich dabei ab

Je kälter es wird, desto langsamer bewegen sich die Teilchen

Für manche Teilchen ist es bereits zu kalt, sie „sterben aus“!

1025 °C = 10.000.000.000.000.000.000.000.000 °C

e-

u

d

e

g


Die Elementarteilchen verschwinden …

Als erstes „stirbt“ das schwere Higgs-Teilchen aus (wir Physiker glauben fest daran, daß es das Teilchen gibt!)

1016 °C = 10.000.000.000.000.000 °C

Wer dieser Teilchen hat, muss es nun in den Kübel zurückgeben!

H



Weiters „sterben“ nun die folgenden Teilchen aus:

– das „t“ Quark– das „b“ Quark– das „ττ“ Lepton– das „ττ“ Neutrino

Es verschwinden dabei auch die jeweiligen Antiteilchen!(die mit den Strich/Plus)

Antiteilchen = „Zwillingsbruder“ eines Teilchens 1015 °C = 1.000.000.000.000.000 °C

-t

+

t t

bb b

tt t

bb b



Nun „sterben“ noch diese Teilchen aus:

– das „c“ Quark– das „s“ Quark– das „μ“ Lepton– das „μ“ Neutrino

Es verschwinden wie immer dabei auch die jeweiligen Antiteilchen!

1014 °C = 100.000.000.000.000 °C

-c

+

c c

ss s

cc c

ss s



Ganz zum Schluß verschwinden noch die restlichen Antiteilchen:

– das „u“ Anti-Quark– das „d“ Anti-Quark– das „e“ Anti-Lepton– das „e“ Anti-Neutrino

Wann ist das alles passiert?Wie lang hat all dies

gedauert?Alles geschah in allererster

Sekunde nach dem Urknall!Welche Teilchen sind nun

übrig? Haltet die Teilchen mal hoch! 1011 °C = 100.000.000.000 °C

e+

e

uu u

dd d


Die restlichen Elementarteilchen

Materieteilchen:– „up“ und „down“ Quarks in

allen Farben– Elektron e-

– Elektron-Neutrino e

Kraftteilchen:– Photon („Lichtteilchen”) – W- und Z-Teilchen– 8 farbige Gluonen

(„Klebeteilchen“)

Elementarteilchen, kommt zu mir nach vorne!

e

g g

W+ W-Z0

e-

uu u

dd d


Die restlichen Elementarteilchen

Mit diesen Teilchen bauen wir nun unsere alltägliche Welt auf!

Dazu brauchen wir zuerst:– „up“ und „down“ Quarks– Elektron e-

– Photon – Gluonen

Die anderen Teilchen brauchen wir später!

e-

u du

ggggggg


Das Proton

Wichtigster Teil eines Atomkerns

Besteht aus zwei „up“ & einem „down“ Quark

Wichtig!Farbe rot, grün & blau muß jeweils einmal vorkommen!

Damit Quarks zusammenbleiben braucht man „starke Kraft“ (Kernkraft) viafarbigen Gluonen

d

uu ggg

gggg

rot + grün + blau = weiß(Regenbogen!)

P+


Das Wasserstoffatom

P+

e-

Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus

Austausch eines Photons

Gebt nun Teilchen des Atoms in den Kübel und setzt euch wieder hin!


Größe eines Atoms

10-14 mP+

e-

10-14 m

< 10-18 m

10-10 m

10-10 m = 0,0000000001 m


Das Periodensystem der Elemente

Alle anderen Elemente entstehen durch Einbau von weiteren Teilchen im Atomkern und Elektronen in der Atomhülle

Entstanden im frühen Universum, in den Sternen und bei Supernovas

All diese Elemente bauen unser Universum auf!

Aber was ist mit den übrig gebliebenen Elementarteilchen?


Die „schwache Kraft“

Restliche Elementarteilchen– Elektron-Neutrino– W- und Z-Teilchen

kommen nicht in den Atomen vor!

Dennoch sehr wichtig z.Bsp. für Kernfusion in der Sonne (dadurch brennt sie überhaupt!)

e

W+

W-

Z0

Gebt Teilchen zurück in den Kübel und setzt euch wieder hin!


Das Standardmodell der Elementarteilchen

-

c

s

Materie

e-

e

u

d

-

t

b

+

c

s

+

t

b

e+

Antimaterie

u

e

d

1.

Gen.

2.

Gen.

3.

Gen.

1.

Gen.

2.

Gen.

3.

Gen.Müonen existieren dennoch auch heute noch für sehr

kurze Zeit in der kosmischen Höhenstrahlung!Sie werden in der Funkenkammer sichtbar gemacht!


Kräfte

g

g

g

g

g

g

W+

W-

Z0

ggg

gg

ElektromagnetischeKraft

Photon

SchwacheKraft

W- u. Z-Teilchen

StarkeKraft

Gluonen

Gravitation?Extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften!(Muskelkraft vs Schwerkraft der Erde)


Mit Lichtgeschwindigkeit zurück zu unserer Alltagswelt

Elemente (=Atome) verbinden sich zu Molekülen

Moleküle sind die Bestandteile von Zellen

Zellen bauen alles Lebende auf:– Pflanzen– Tiere– Menschen!


Wie kann man Elementarteilchen erforschen?

… mit dem Mikroskop? NEIN– Auflösung des Mikroskops viel

zu gering!– Außerdem: die interessanten

Elementarteilchen sind ja „ausgestorben“!

… mit einem Teilchenbeschleuniger? JA– Dadurch kann man Teilchen

wieder „zum Leben erwecken“ und

– genauestens studieren!


Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Geladene Teilchen (z.Bsp. Protonen) werden auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt

Dadurch erhalten Teilchen extrem hohe Energien



Bringt man diese Teilchen frontal zur Kollision, geben sie ihre Energie wieder frei

Es entstehen kurzfristig wieder extrem heiße Zustände wie kurz nach dem Urknall(„Mini-Urknall“)

Dadurch entstehen wieder Elementarteilchen, welche zuvor „ausgestorben“ sind!

-

t

b

+

t b

H

H

H

t

t

b



Es entstehen sogar neue, noch ganz unbekannte Teilchen!

Durch neue Teilchen erfahren wir mehr über den Aufbau unseres Universums!

Diese neuen Teilchen kann man in riesigen Detektoren untersuchen …

?Dunkle Materie?

SUSY Teilchen?…


Der Large

Hadron Collider


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