1.2 Erste Anmerkungen zum heutigen Stand Bausteine: Ende 19

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1.2 Erste Anmerkungen zum heutigen Stand
Bausteine:
Ende 19. Jhd.: ca. 100 (92 stabile) Elemente mit periodisch wiederkehrenden
Eigenschaften bekannt: → Hinweis auf innere Struktur.
Anf. 20. Jhd.: Rutherford: Atom aus Kern und Hülle: p und e ausreichend?
Mitte der 30er Jahre: Mit nur vier ”Elementarteilchen”, nämlich den am  −Zerfall des
Neutrons beteiligten Teilchen p,n,.e,  (und ihren Antiteilchen) kann der Aufbau der
Materie erklärt werden:
Neben dem Elektron (für den Aufbau der Hülle) benötigte man eben noch das Neutrino und
das Positron (zur Erklärung der Radioaktivität).
(Auch aus heutiger Sicht: unsere Umwelt scheint vorwiegend aus diesen 4 Teilchen
aufgebaut)
Beschleuniger-Experimente zeigten: Proton und Neutron sind nur Mitglieder einer großen
Teilchenfamilie ”Hadronen”  Teilchen, die der starken WW unterliegen. Wieder gibt es
Gruppen mit ähnlichen Eigenschaften (Hinweis auf ähnliche Struktur!): Hadronen scheinen
auch noch nicht fundamental zu sein.
Ende der 60er Jahre: Quark - Modell erklärt ”Hadronen-Zoo” als ”Quark-Atome”, haben
also innere Struktur (Leptonen und Quarks: bis heute punktförmig, nicht aufgelöst)
Die uns umgebende Materie besteht offenbar aus Fermionen!
.Größe und Anregungsenergien
Kurze erste Übersicht über die Klassifizierung: Die Fermionen lassen sich in 3 Familien
(Generationen) gruppieren,
SM- Elemente
Neben Quarks: fundamentale Leptonen, mit zunehmender Masse in jeweils 3 Generationen
gruppierbar, die je ein Quark- und ein Leptondublett umfassen, d.h. auch hier wiederholen
sich bestimmte Eigenschaften: Substruktur? Bisher keine Anregung beobachtet. (Neutrale
Atome: Woher wissen die Elektronen (Leptonen) in der Hülle, wie groß die Ladung der
Hadronen im Kern ist .....?? Baustein mit Ladung in Leptonen und Quarks? Experiment
muß es zeigen ...)
Viele gleichwertige Teilchen bekannt - einschließlich der Feldquanten rund 60: entweder
ist die letzte Stufe der wirklich fundamentalen Teilchen noch nicht erreicht, oder das Bild
von den wenigen Elementarteilchen ist falsch -vielleicht ist der Teilchenbegriff doch nicht
so fundamental,wie vom Menschen vermutet.
Kräfte:
Historisch (1800): Gravitation, Elektrizität, Magnetismus, chem. Bindungskräfte (nicht
verstanden) waren bekannt.
2. Hälfte des 19. Jhd.: elektrische und magnetische Wechselwirkungen auf gleiche Ursache
zurückgeführt (Maxwell): Elektromagnetismus.
Aufbau der Hülle, molekularer Aufbau und damit die chemischen Vorgänge können dann
durch die elektromagnetische Wechselwirkung erklärt werden.
Chemische Bindungskräfte: auf kurze Distanz keine vollständige Kompensation der el.
Ladungen zwischen den el. neutralen Atomen und Molekülen: Van der Waals-Kräfte etc.,
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”residuale Kräfte”
Die Bindung der Nukleonen im Kern (insbesonders mehrerer Protonen, die ja einer starken
Coulomb- Abstoßung unterworfen sind) macht die Existenz einer Kernkraft erforderlich,
gewisse radioaktive Phänomene (ß - Zerfall des Neutrons, Fusionsvorgänge in der Sonne)
weisen auf die Existenz einer weiteren fundamentalen Kraft, der ”schwachen
Wechselwirkung” hin.
Da e 2 /4 o    m Proton 2 , kann die Gravitation gegenüber der elektromagnetischen
Wechselwirkung und damit auch gegenüber den anderen Wechselwirkungen vernachlässigt
werden.
Heute ist bekannt, daß die Kernkraft nicht fundamental, sondern eine residuale Kraft der
sogenannten starken Wechselwirkung zwischen den Hadronen ( ”Quarkatomen”) ist.
Übermittlung der WW durch den Raum: Austausch von Feldquanten (sind Vektorbosonen,
d.h. Spin 1
QED: Austausch von Photonen, sehr gut verifizierte Theorie. (Gravitation: noch keine
Theorie, J2 - Quanten angenommen)
Quelle und Objekt der WW ist jeweils eine Ladung:
elektrische Ladung:
Quarks und gel. Leptonen
schwache
”
Quarks und alle Leptonen
starke (Farb-)Ladung: nur Quarks
In diesem Bild sind die Hadronen also farbneutrale Quarkatome, analog zu den elektrisch
neutralen Atomen.
Schematischen Darstellung der WW in sogenannten Feynman-Diagrammen, zu denes es
genaue Vorschriften zur Umsetzung in entsprechende Formeln für die Reaktionsraten gibt.
Beziehung zwischen Reichweite und Ruhmasse: WW mit massiven Quanten haben
beschränkte Reichweite, (schwache WW), masselose Quanten ergeben eine  Reichweite
(elmag.)
Farbwechselwirkung (starke Wechselwirkung): Quanten (Gluonen) zwar masselos, tragen
aber (etwa im Gegensatz zu den Photonen), selbst eine Ladung, dadurch wird ihre
Reichweite wieder beschränkt (Aufbau eines starken Farbfeldes zwischen Gluonen bezw.
Gluonen und Quarks).
In der Natur scheint es nur wenige fundamentale Kräfte zu geben, und diese folgen
offenbar alle dem gleichen Prinzip (Quanten sogenannter Eichfelder werden zwischen den
wechselwirkenden Teilchen ausgetauscht.)
Reichweite und relative Stärke der Wechselwirkungen
Die Bausteine der Materie sind Fermionen, die Kräfte zwischen ihnen werden durch
Feldquanten übertragen, diese Feldquanten sind Bosonen.
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