Skript

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0.3
Struktur der Materie
0.3.1 Makroskop. Eigenschaften der Materie
• Aggregatzustand:
fest
flüssig
gasförmig
•
festes
Volumen
;
;
†
Makroskop. Körper
feste
Form
;
†
†
Eigenschaften wie …
♦ Masse, Dichte
♦ mechan. Eigensch.
(Elastizität, Festigkeit, …)
♦ Temperaturverhalten
♦ elektr. Eigenschaften
♦ optische Eigenschaften etc.
… werden durch inneren Aufbau
festgelegt!
gasförmig
fest
Helium
flüssig
chem. Aufbau
chem. Elemente
Atome
•
kristallin:
regelmäßige, periodische
Anordnung der Atome
Muster wiederholt sich bei Verschiebung
um "Gitterkonstante a"
Ö
•
a
amorph:
unregelmäßige Anordnung (Flüssigkeit bzw. unterkühlte Flüssigkeit mit großer
Viskosität) Bsp.: Glas, Teer, metallische Gläser
0.3.2 Festkörper (insbes. Kristalle)
• System aus mehr als 100000000000000000000000 Teilchen (1022 Atomkerne +
•
1023Elektronen)
Welche Kräfte halten FK zusammen?
♦ warum kollabiert FK nicht ?
Physik_0_3_Materie.doc, Prof. Dr. K. Rauschnabel, HHN, 07.05.2006 23:57
S.1/6
•
♦ warum fällt FK nicht auseinander?
♦ wie ergibt sich die "optimale" Anordnung der Atome im FK?
elektr. Eigensch. des FK
♦ Elektronen unbeweglich
Ö Isolator
♦ Elektronen beweglich
"mit Reibung"
Ö Leiter
♦ Elektronen beweglich
"ohne Reibung"
Ö Supraleiter
Ö
Eigenschaften des FK ergeben sich …
… aus dem Aufbau und den Eigenschaften der Bausteine !
•
•
Kristallgitter:
Energiezufuhr ⇒ Schwingungen
Kristallschwingungen
Welleneigensch.
Ö
⇔
spezif. Wärme
Teilcheneigensch.
("Phononen")
Elektronen im FK:
Teilcheneigensch.
⇔
Welleneigensch.
("Materiewellen")
0.3.3 Moleküle (z.B. einer Flüssigkeit, eines
Gases:
ähnliche Fragen wie bei Festkörpern:
•
Welche Kräfte bewirken Bindung?
•
Wie stark sind Bindungskräfte?
•
Wie ergibt sich Anstand zw. Atomen und räuml. Anordnung?
Antwort auch hier:
… aus dem Aufbau und den Eigenschaften der Bausteine !
0.3.4 Atome
Kern : +
⇔ Elektronenhülle: Þ
elektrostat. Anziehung
Þ
"Planetenbahnen"
+
aber …
•
•
Elektron auf Kreisbahn ?
Seitenansicht:
-
e- schwingt "hin u. her" wie Strom in Sendeantenne!
Folge: Elektron strahlt Energie ab
(jede beschleunigte Ladung strahlt!),
-13
Atom "bricht zusammen" ( in 10
s !) 0 1 / ? ? ?
Warum sind Atome (offensichtlich) stabil ?
Wie ergeben sich die "erlaubten" Bahnen u. Energiewerte?
Wie wird diese Problem im Bohrschen Atommodell "gelöst" ?
Ö Elektronen als Wellen!
stehende Elekronenwellen im Atom Ö stationärer Zustand
(etwa wie schwingende Membran - aber 3-dim.!)
Physik_0_3_Materie.doc, Prof. Dr. K. Rauschnabel, HHN, 07.05.2006 23:57
S.2/6
2
•
Welche Bedeutung hat die Intensität ( Amplitude ) der Materie-Wellen?
Wie groß ist ein Elektron ? Hat ein Elektron eine Größe oder ist es "punktförmig" ?
exp.: Re-< 10-19 m
aber: wenn Re-→ 0 dann:
Elektr. Feld → ∞ Energie → ∞
Energie, um Q=-1e auf R = 10-19 m zu "quetschen":
3 1 Q2
E=
⋅
≈ 10 GeV
5 4πε0 R
Ú?
E = mc 2 = 0, 000511 GeV
gesamte im e- gespeicherte Energie:
Größenverhältnisse im Atom:
Wie groß ist ein Atom ?
Wie groß ist der Kern ?
0.3.5 Atomkerne
Aufbau aus Protonen und Neutronen
Isotope:
•
•
Ö
Kerne mit gleicher Protonenzahl Z (=Ordnungszahl),
aber verschiedener Massenzahl A=N+Z
Welche Kräfte halten Kerne zusammen?
Warum "explodiert" Kern nicht ?
Ö "Kernkräfte", "starke
Wechselwirkung"
Eigensch. des Kerns:
•
Ladung, Verteilung der Ladung
•
Masse, Energie
•
Struktur, Größe, Form
•
Drehimpuls (Spin)
•
magn. Eigenschaften (NMR)
•
Anregungszustände
•
Stabilität, Halbwertszeit,
Zerfallsarten
p
p n
Wasserstoff
n
p
n
n
p n
p
p
Deuterium Tritium Helium-3
p
n
Helium-4
....
n
n
p
p
np
p
p n p
p p n
p
n
n
p
n
p
p
p
n
Eigenschaften des Kerns ergeben sich …
… aus dem Aufbau und den Eigenschaften der Bausteine Proton und Neutron!
0.3.6 Nukleonen: Protonen und Neutronen
Aufbau aus je 3 "Quarks"
und "Gluonen"
sowie einem "See" aus QuarkAntiquark-Paaren!
2·10-15 m
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S.3/6
0.3.7 Quarks und Leptonen
•
•
•
Kräfte zwischen den Quarks:
Austausch von "Gluonen"
Kräfte wachsen mit dem Abstand! ⇒ keine freien Quarks
Eigenschaften der Quarks:
Ladung: Quarks:
-1/3 e +2/3 e
Anti-Quarks
+1/3 e -2/3 e
Masse , magn. Eigenschaften, Spin ....
Größe
( <10-19 m ) ?
Wieviele Sorten von Quarks gibt es?
"up"
"down"
etc. ...
•
+2/3 e
-1/3 e
...
Wie sind die "Elementarteilchen" (Proton, Neutron ...) aus diesen Quarks aufgebaut ?
Proton
Neutron
•
u
d
...
uud
udd
Haben auch die Quarks wieder eine innere Struktur?
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Materie: Hadronen (→ Quarks) und Leptonen ( elementare Fermionen)
Fermion: Teilchen mit „halbzahligem Spin“ (s. Kap. 6/7 !)
•
•
Hadronen (p, n , …):
Leptonen (e-, ν …)
aufgebaut aus Quarks
Sind "Leptonen" und "Quarks" die "modernen Atome" ?
Quarks:
3*2 "Sorten" * 3 "Farben", drittelzahlige Ladung
"rot":
+2/3 e up
-1/3 e down
charm
strange
top (?)
bottom
charm
strange
top (?)
bottom
charm
strange
top (?)
bottom
"grün":
+2/3 e up
-1/3 e down
"blau":
+2/3 e up
-1/3 e down
Leptonen:
3*2 "Sorten" , "keine Farbe", ganzzahlig Ladung
0
-e
νe
e-
νµ
µ-
ντ
τ-
∑Q
0
0
0
Summe der Ladungen aller Leptonen u. Quarks jeder Generation ergibt Null!
Hinweis:
Bei Top stand bisher ein Fragezeichen , Top-Quark wurde 1995 entdeckt
⇒ Fragezeichen ab ‘96 gestrichen!
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------"Spiegelsymmetrisch" dazu : Antimaterie:
Zu jedem elemt. Fermion gibt es ein zugeh. Antiteilchen mit umgek. Ladung :
• Anti-Quarks ( u,d ), ( c, s), ( t, b) :
Ladung -2/3 e bzw. +1/3 e
(
)
• Anti-Leptonen ( e + ,νe ) , µ + ,ν µ , (τ + ,ντ )
Ladung
+ e bzw.
0
Fermion-Antifermionen können paarweise „aus Energie“ (z.B. Gammastrahlung) erzugt
werden, Anti-Elektronen („Positronen“) entstehen auch bei gewissen radioaktiven Zerfällen
(β+-Zerfall).
Anti Materie besteht aus Antiprotonen, Antineutronen (diese wiederum bestehen aus
Antiquarks) und Antielektronen (Positronen).
Geschichte:
1932 Entdeckung des Positrons
1955 Entdeckung des Antiprotons
1996 Erste Synthese einiger weniger Anti-Wassserstoff-Atome (CERN/Genf)
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Positronenstrahler werden heute in der Medizin zur Positronen-Emissions-Tomographie
(PET) eingesetzt (s. Kap. 7).
0.3.8 Kräfte Felder, Feldquanten (Vermittler-Teilchen)
Vereinheitlichung versch. Kräfte, Beispiel:
Maxwell:
elektrische
⇒ elektromagnetische Wechselwirkung
magnetische
Glashow-Weinberg-Salam (Nobelpr. 1979):
el.-magn. WW
⇒ elektroschwache Wechselwirkung
schwache WW
Fundamentale Wechselwirkungen:
Wechselwirkung
starke WW
schwache WW
elektr.-magn. WW
Gravitation
wirkt auf ...
Quarks
Leptonen, Quarks
Quarks,
gel. Leptonen
alle
Quelle
"Farb"-Ladung
schw. Ladung
elektr. Ladung
Vermittler
8 Gluonen
W+,W-,Z0
Photon
Energie
(Masse)
Graviton (?)
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