Unter einem subatomaren Teilchen versteht man ein Teilchen, das kleiner (aber nicht unbedingt leichter) ist als ein Atom. Mit subatomaren Teilchen beschäftigen sich vor allem die Teilchenphysik und die Kernphysik. Die subatomaren Teilchen können in Elementarteilchen und zusammengesetzte Teilchen unterschieden werden.
Die subatomaren Teilchen wurden im 20. Jahrhundert intensiv untersucht. Aufgrund der Vielfalt an entdeckten Teilchen wurde phasenweise auch vom sogenannten Teilchenzoo gesprochen. Erst durch das Konzept der Quarks gelang es, die interne Struktur der Hadronen zu verstehen. Die Entwicklung mündete in das seit etwa 50 Jahren bestehende Standardmodell.
Aufgrund ihrer Kleinheit treten in den Eigenschaften und Reaktionen der subatomaren Teilchen quantenphysikalische Phänomene deutlich zutage, z. B. der Welle-Teilchen-Dualismus, die Unschärferelationen, Vakuumfluktuationen und Erzeugungs- bzw. Vernichtungsprozesse.
Arten von subatomaren Teilchen Elementarteilchen mini|hochkant=1.3|Elementarteilchen des Standardmodells
Bei den bestätigten Elementarteilchen des Standardmodells unterscheidet man: Quarks Leptonen Eichbosonen sowie das Higgs-Boson
Zusammengesetzte Teilchen Bei den zusammengesetzten Teilchen ist die Situation komplizierter. Die zusammengesetzten Teilchen, die subatomare Dimensionen haben, bestehen alle aus Kombinationen von Quark-Elementarteilchen. Die Quarks selbst können nicht alleine beobachtet oder gemessen werden, sondern lediglich ihre Zerfallsprodukte. Man unterscheidet: Hadronen: Mesonen: Quark-Antiquark-Paare Baryonen: 3 Quarks. Dazu gehören auch die Nukleonen Proton und Neutron Exotische Hadronen: Tetraquarks und Pentaquarks sonstige zusammengesetzte Teilchen: Atomkerne Auf der atomaren Ebene, also über der subatomaren Ebene, existieren neben den gewöhnlichen Atomen und Molekülen auch die sogenannten exotischen Atome, welche durch Kombination der subatomaren Hadronen und weiteren Elementarteilchen entstehen. Ein Beispiel für ein exotisches Atom ist myonischer Wasserstoff.
Bekannte Beispiele Elementarteilchen: Photon, Elektron Zusammengesetzt: Proton, Neutron, Alphateilchen oder ganz allgemein Atomkerne
Fermionen und Bosonen mini|300px| Besetzungszahl als Funktion der Differenz zwischen Energie und chemischem Potential für Bosonen (Bose-Einstein-Statistik, obere Kurve) bzw. Fermionen (Fermi-Dirac-Statistik, untere Kurve), jeweils im Spezialfall der Wechselwirkungsfreiheit und bei konstanter Temperatur .
Eine andere wichtige Unterscheidung der subatomaren Teilchen ist die in Fermionen und Bosonen. Diese Klassen unterscheiden sich in zwei grundlegenden Eigenschaften: In jedem Quantenzustand eines Systems, z. B. eines Atoms, gibt es nur höchstens ein Fermion einer gegebenen Art (siehe Pauli-Prinzip); für Bosonen gilt diese Beschränkung nicht. Dieser Unterschied wird dadurch beschrieben, dass für Fermionen und Bosonen verschiedene Wahrscheinlichkeitsverteilungen gelten, die Fermi-Dirac-Statistik beziehungsweise die Bose-Einstein-Statistik. Der Spin eines Teilchens ist mit der Statistik über das Spin-Statistik-Theorem verknüpft. Somit unterscheiden sich Fermionen und Bosonen auch durch ihre halbzahlige bzw. ganzzahlige Spinquantenzahl. Die elementaren Fermionen, also Leptonen und Quarks, können nur zusammen mit einem Antiteilchen erzeugt oder vernichtet werden. Diese Beobachtung, die die Stabilität von Materie erklärt, wird durch Erhaltungssätze der Teilchenanzahl (Baryonenzahl, Leptonenzahl) beschrieben. Elementare Bosonen können dagegen einzeln entstehen und vergehen.
Alle Bestandteile des Atoms, Proton, Neutron und Elektron, sind Fermionen. Erst das Pauli-Prinzip macht den Aufbau der Atomkerne und der Elektronenhüllen verständlich. Auch bei den Elementarteilchen handelt es sich meist um Fermionen. Lediglich die Eichbosonen (inkl. dem Photon) und das Higgs-Teilchen sind Bosonen. Unter den zusammengesetzten Teilchen gehören die Mesonen zu den Bosonen.
Wichtige Phänomene auf der subatomaren Ebene Radioaktivität Kernfusion Photoelektrischer Effekt Stabilität des Atomkerns: die Masse des Atomkerns entsteht hauptsächlich durch die Bindungsenergie der Quarks innerhalb der Protonen und Neutronen.
Bedeutende Entdeckungen subatomarer Teilchen Subatomares Teilchen Zusammensetzung theoretisches Konzept experimentell entdeckt Kommentare Elektron elementar (Lepton) 1874: G. Johnstone Stoney 1897: J. J. Thomson Minimale Einheit für die elektrische Ladung, weshalb Stoney diesen Namen im Jahr 1891 vorgeschlagen hat. Alphateilchen zusammengesetzt (Atomkern)
1899: Ernest Rutherford Im Jahre 1907 wurde durch Rutherford und Thomas Royds bestätigt, dass es sich um Heliumkerne handelt. Photon elementar (Eichboson) 1900: Max Planck 1905: Albert Einstein als Licht (Photoeffekt) oder1899: Ernest Rutherford als Gammastrahlung nötig zum Verständnis des Schwarzkörperproblems der Thermodynamik Proton zusammengesetzt (Baryon)
1919: Ernest Rutherford der Kern des Wasserstoffatoms und das erste Nukleon der Atomkerne Neutron zusammengesetzt (Baryon) 1918, eventuell bereits1917: Ernest Rutherford 1932: James Chadwick das zweite Nukleon der Atomkerne Positron elementar (Antilepton) 1928: Paul Dirac 1932: Carl D. Anderson Antiteilchen des Elektrons, erster Nachweis von Antimaterie Pion zusammengesetzt (Meson) 1935: Hideki Yukawa 1947: César Lattes, Giuseppe Occhialini und Cecil Powell Pion-Austauschmodell beschreibt Kräfte im Atomkern. Myon elementar (Lepton)
1936: Carl D. Anderson
Kaon zusammengesetzt (Meson)
1947 Entdeckt in der kosmischen Strahlung. Das erste Teilchen mit einem Strange-Quark. Lambda-Baryon zusammengesetzt (Baryon)
1950, möglicherweise aber schon1947: Universität MelbourneThe Strange Quark das erste entdeckte Hyperon Neutrino elementar (Lepton) 1930: Wolfgang Pauli, benannt durch Enrico Fermi 1956: Clyde Cowan, Frederick Reines nötig, um das Energiespektrum beim Betazerfall zu verstehen Quarks (up, down, strange) elementar 1964: Murray Gell-Mann, George Zweig
indirekt bestätigt, da dieses Modell den Teilchenzoo erklärt Charm-Quark elementar (Quark) 1970 1974: sowohl durch Burton Richter et al. am Stanford Linear Accelerator CenterSLAC-SP-017 Collaboration (J. E. Augustin et al.): Discovery of a Narrow Resonance in e+e− Annihilation. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1406–1408 (online) als auch Samuel Chao Chung Ting et al. am Brookhaven National Laboratory.E598 Collaboration (J. J. Aubert et al.): Experimental Observation Of A Heavy Particle J. In: Physical Review Letters. Band 33, 1974, S. 1404–1406 (online) Bestandteil des J/ψ-Mesons Bottom-Quark elementar (Quark) 1973 1977: Fermilab, Gruppe von Leon Max Lederman Bestandteil des Υ-Mesons W-Bosonen und Z-Boson elementar (Eichboson) 1968: Glashow, Weinberg, Salam 1983: CERN Eigenschaften in den 1990er Jahren bestätigt Top-Quark elementar (Quark) 1973 1995 Lebensdauer ist zu kurz, um direkt in einem Hadron nachgewiesen werden zu können Higgs-Boson elementar 1964: Peter Higgs et al. 2012: CERN spätestens seit 2014 bestätigtCERN experiments report new Higgs boson measurements. cern.ch (23. Juni 2014)
Siehe auch Gebundener Zustand Austauschteilchen
Literatur R. P. Feynman und S. Weinberg: Elementary Particles and the Laws of Physics: The 1986 Dirac Memorial Lectures. Cambridge University Press, 1987.
Brian Greene: Das elegante Universum: Superstrings, verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel, Siedler, München 2000 (geb.), ISBN 3-88680-699-5; Goldmann, München 2005 (Taschenbuch), ISBN 978-3-442-15374-9 Robert Oerter: The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics. Plume, 2006. .
G. D. Coughlan, J. E. Dodd und B. M. Gripaios: The Ideas of Particle Physics: An Introduction for Scientists. 3. Auflage, Cambridge University Press, 2006. An undergraduate text for those not majoring in physics.
Einzelnachweise
Kategorie:Teilchen