Dieser Artikel befasst sich mit 'Elementarteilchen', den kleinsten Bausteinen der Materie. Den gleichnamigen Roman von Michel Houellebecq finden Sie unter Elementarteilchen (Roman).
Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht anschaulich beschreiben,
da sie aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen.
und einer Hülle (bestehend aus Elektronen) aufgebaut sind. Das Neutron ist kein stabiles Elementarteilchen, da es außerhalb des Atomkerns radioaktiv zerfällt. Protonen und Elektronen gelten als stabil.
Nach der Entdeckung der das Atom aufbauenden Elementarteilchen wurde eine Vielzahl von instabilen Teilchen entdeckt. In die gleiche Zeit fällt die Entdeckung der Antiteilchen.
Elementarteilchen haben eine Reihe von Eigenschaften: Masse, verschiedene Ladungen, Spin. Daneben unterscheidet man zusammengesetzte von unteilbaren Elementarteilchen.
Solche Eigenschaften erlauben eine Einteilung der bekannten Elementarteilchen.
(Die Gravitation kann man, aufgrund ihrer relativ geringen Stärke, im Wirkungsraum des inneren eines Atoms, vernachlässigen.)
Je nach der Wechselwirkung, an der ein Elementarteilchen teilnimmt, wird ihm eine Ladung (starke Ladung (oder Farbladung), schwache Ladung, elektrische Ladung) zugeordnet.
Die Wechselwirkung innerhalb jeder dieser drei Typen wird von wechselwirkungsspezifischen Austauschteilchen oder Botenteilchen, so genannten Eichbosonen, vermittelt.
Diese auch "intermediäre Bosonen" genannten Teilchen zeichnen sich immer durch einen ganzzahligen Spin aus.
In diesem Sinne unterscheidet man zwischen den eigentlichen "Bausteinen" der Materie und den zwischen diesen Bausteinen vermittelnden Elementarteilchen.
Eine ausführlichere Behandlung folgt weiter unten.
Die Eichbosonen der drei Wechselwirkungen sind das Gluon (starke Wechselwirkung), die Z- und W-Bosonen (schwache Wechselwirkung) und das Photon (elektromagnetische Wechselwirkung).
Interessanterweise tragen die Gluonen selbst wieder eine starke Ladung, so dass sie nicht nur Träger der starken Wechselwirkung sind, sondern ihr auch unterliegen.
Die W-Bosonen der schwachen Wechselwirkung tragen eine elektrische Ladung, und wechselwirken demnach auch elektromagnetisch.
Einteilung nach Wechselwirkung
Die kleinsten Bausteine der Materie lassen sich am einfachsten in zwei Gruppen unterteilen:
Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, und Teilchen, die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen.
Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen, werden als Hadronen bezeichnet.
Nach der Theorie der Quantenchromodynamik sind sie aus elementaren Quarks zusammengesetzt, die durch die Träger der starken Wechselwirkung, die Gluonen, zusammengehalten werden.
Insofern sind Quarks die grundlegenden stark wechselwirkenden Materiebausteine; sie besitzen den Spin 1/2 und gehören damit der Gruppe der Fermionen an.
Hadronen werden weiter unterleit in Mesonen (Bestehen aus einem Quark und einem Antiquark (dem Antiteilchen eines Quarks)) und Baryonen (Bestehen aus drei Quarks, (bzw. Antibaryonen aus jeweils drei Antiquarks)).
Nur Baryonen können Atomkerne bilden. Bekannte Baryonen sind das Proton und das Neutron.
Teilchen die der starken Wechselwirkung nicht unterliegen, werden als Leptonen bezeichnet.
Alle Leptonen besitzen den Spin 1/2 und gehören damit der Gruppe der Fermionen an.
Unteilbare und zusammengesetzte Elementarteilchen
Die unteilbaren Elementarteilchen sind hinreichend, alle bekannten Elementarteilchen zu erklären.
Man betrachtet heute Quarks und Leptonen sowie Eichbosonen als unteilbar.
Quarks und Leptonen haben alle einen Spin von 1/2; alle Eichbosonen besitzen einen Spin von 1.
Zusammengesetzte Elementarteilchen entstehen aus der Kombination dreier Quarks (Baryon, Spin 1/2 oder 3/2) oder aus der Kombination eines Quarks mit einem Antiquark (Meson, Spin 0 oder 1).
Das Proton und das Neutron sind Baryonen, das Pion und das Kaon sind Mesonen.
Systeme von Elementarteilchen zeigen unterschiedliches (statistisches) Verhalten, je nachdem, ob sie halb- oder ganzzahligen Spin besitzen.
Elementarteilchen mit ganzzahligem Spin (Eichbosonen, Mesonen) werden als Bosonen bezeichnet.
Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Leptonen, Baryonen) werden als Fermionen bezeichnet.
Einteilung - Zusammenfassung
Austauschteilchen
... sind Bosonen
Leptonen
... sind Fermionen
Hadronen
Mesonen
... sind Bosonen
Baryonen
... sind Fermionen
Quantenfeldtheorien beschreiben die Wechselwirkung der 'elementarsten' bekannten Elementarteilchen (Quarks, Leptonen) durch Austauschteilchen (Photon, Gluon, Z-Boson, W-Boson). Innerhalb der Quantenfeldtheorien können sich Elementarteilchen nachbestimmten Regeln (Erhaltung von Energie, Ladung, Spin) ineinander umwandeln.
Die oben genannten Quarks kommen in jeweils drei "Ausführungen" vor, die sich durch die Farbladung unterscheiden, jeweils ein rotes, blaues und grünes (die Farbladung hat nichts mit der sichtbaren Farbe zu tun).
Da Quarks niemals frei sondern nur in Verbindung mit anderen Quarks als Mesonen oder Baryonen vorkommen, sind die Quarkmassen nur sehr ungenau bestimmt.
Für top- und bottom-Quark sind auch die Namen truth- und beauty-Quark gebräuchlich.
Zu jedem der oben genannten Fermionen gibt es ein Antiteilchen. Das Antiteilchen des Elektrons heißt Positron, bei den anderen Teilchen wird einfach die Silbe "Anti-" vor den Namen gesetzt (bzw. bei Neutrinos vor das Wort "Neutrino", also z. B. Myon-Antineutrino, nicht Antimyon-Neutrino). Beim Neutrino könnte es jedoch auch sein, dass es mit seinem Antiteilchen identisch ist.
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