24. Vorlesung - IKP, TU Darmstadt
Werbung
Physik IV Einführung in die Atomistik und die Struktur der Materie Sommersemester 2011 Vorlesung 24 – 13.07.2011 Kerne und Teilchen Vertretung: Prof. Joachim Enders Physik IV - Einführung in die Atomistik | Vorlesung 24 | Prof. Thorsten Kröll 13.07.2011 1 Kerne und Teilchen Constituents of Nuclei Atomic nuclei positive nuclear charge determines chemical properties different isotopes for each element: different mass explanation: atomic nuclei composed of nucleons – i.e. protons (positive charge) neutrons (neutral) with approximately equal mass Nuclide: proton number Z, neutron number N, mass number A nomenclature A Z X N ; z.B. 126 C 6 , Isotopes: Isotones: Isobars: 208 82 Pb126 , 235 92 James Chadwick nobelprize.org A=Z +N U143 nuclides with identical proton number nuclides with identical neutron number nuclides with identical mass number Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 1 Seit Rutherfords Experiment 1911 wissen wir: Atomkerne befinden sich im Innern eines Atoms. Sie sind positiv geladen, tragen mehr als 99% der Masse des Atoms und sind im Vergleich zum Atom sehr klein (< 10^-13 m). Man findet verschiedentlich Atome eines chemischen Elements, die unterschiedliche Masse besitzen, aber die die gleichen chemischen Eigenschaften aufweisen. Diesen Effekt bezeichnet man als Isotopie. Für verschiedene Isotope eines Elements sind die Massen der Atomkerne unterschiedlich, die Ladung der Kerne der Isotope aber gleich. Man versteht dies heute gut dadurch, dass Atomkerne aus unterschiedlichen Konstituenten bestehen, positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen (zuerst 1932 von Chadwick entdeckt), die aber annähernd die gleiche Masse besitzen. Mit der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N kann man eine Massenzahl A = N+Z definieren, die die Anzahl der Kernbausteine (=Nukleonen) angibt. Die Nukleonen- oder Massenzahl gibt näherungsweise die Molmasse in Einheiten von g/mol an. Man verwendet für die einzelnen Kernspezies (Nuklide, Kombinationen von Protonen und Neutronen) die gezeigte Schreibweise. Unterschiedliche Nuklide kann man z.B. dahin gehend vergleichen, dass man Kerne gleicher Protonenzahl (Isotope = gleicher Ort (Topos) im Periodensystem), gleicher Neutronenzahl (Isotone) oder gleicher Massenzahl (gleich schwer (barys)) nebeneinander studiert. 13. Juli 2011 | | 1 Kerne und Teilchen Constituents of Nuclei Is Proton number Chart of Nuclides usually black: naturally occurring nuclides color-coded: unstable nuclides s ar ob 8B 7Be 6Li 1H 4He 2H 3H 1n Neutron number Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 2 11B 9Be 10B 7Li 6He 8Li 9L 8He Isotones Isotopes 3He 10B Nuklide werden in einer Nuklidkarte systematisiert, in der die Protonen- über der Neutronenzahl aufgetragen wird. Jedes Kästchen bezeichnet ein Nuklid. Oft werden stabile Nuklide, die nicht radioaktiv zerfallen, schwarz dargestellt, radioaktive Nuklide hingegen farbig, oft nach Zerfallsart in verschiedenen Farben (Teilbild unten rechts zeigt untersten Ausschnitt der Nuklidkarte). 13. Juli 2011 | | 2 Kerne und Teilchen Nuclear Forces Compensation of repulsive Coulomb force between protons Strong nuclear force acts on protons and neutrons not electrons short range ~ 1 fm Hideki Yukawa nobelprize.org Weak nuclear force especially radioactive beta decay wichtig acts on protons, neutrons and electrons extremely short range << 1 fm Four fundamental forces: gravitation, electromagnetism, strong force, weak force Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 3 Da die Protonen im Kern alle positiv geladen sind und sich gleichnamige Ladungen abstoßen, muss es Kräfte geben, die die elektrostatische (Coulomb-)Abstoßung kompensieren. Die wesentliche Kompensation wird durch die sogenannte starke Kernkraft realisiert, die auf Protonen und Neutronen, nicht aber auf Elektronen wirkt. Da Kerne recht kleine Objekte sind, muss die Reichweite der Kernkraft klein sein, von der Größenordnung 1 fm. Außerdem gibt es noch eine weitere Naturkraft, die sogenannte Schwache Kraft oder Schwache Wechselwirkung. Diese ist für diese Vorlesung nur als Vermittlerin des radioaktiven Betazerfalls wichtig. Ihre Reichweite ist noch viel kleiner als die der starken Kraft. Sie wirkt auch auf Elektronen, allerdings ist die Wechselwirkung viel schwächer als der Elektromagnetismus, so dass wegen der Schwäche und der kleinen Reichweite die Schwache Kraft keinen Einfluss auf die Struktur von Atomen (also Systemen aus Elektronen + Kern) hat. 13. Juli 2011 | | 3 Kerne und Teilchen Size of Nuclei Constant nuclear density V ∝ A⇔ A nuclear radius V = const. Springer, Berlin (1994) Povh, Rith, Scholz, Zetsche, 2 dσ dσ = F (q 2 ) ⋅ dΩ Mott dΩ exp Teilchen und Kerne, Scattering experiments electron scattering nucleus-nucleus scattering form factor in scattering formulae r = r0 ⋅ A1/ 3 nuclear radius constant r0 = 1.2 fm Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 4 Atomkerne sind sehr kleine Objekte. Die Größe von Atomkernen kann aus Streuexperimenten bestimmt werden. Es handelt sich hierbei praktisch um Beugungsexperimente von Teilchen sehr kleiner Wellenlänge (typ. Elektronen mit Energien über 200 MeV und somit deBroglie-Wellenlängen unter 1 fm) an kleinen Objekten. Das Beugungsmuster ist oben in der Abbildung zu erkennen. Die Abstände der Beugungsminima (Messung des Streuwinkels) erlaubt den Rückschluss auf die Größe des Objekts, ähnlich wie auf die Breite eines optischen Spalts. Im Sinne des Teilchen-Welle-Dualismus wird das „Beugungsexperiment“ als Streuexperiment durchgeführt, z.B. – in leichter Abwandlung des Rutherford-Experiments – mit Elektronen. Der Mott-Querschnitt bezeichnet dann den Streuquerschnitt eines punktförmigen Elektrons mit Spin ½ an einem punktförmigen spinlosen Target. Die Größeninformation steckt im Formfaktor, der aus der Ladungsverteilung bestimmt werden kann. Man findet, dass die Dichte der Atomkerne näherungsweise konstant ist für alle Atomkerne. Die Unterschiede im Bild unten ergeben sich dadurch, dass nur die Ladungsdichte durch die Protonen gezeigt ist, schwere Kerne aber mehr Neutronen als Protonen haben. Eine konstante Dichte und eine näherungsweise kugelförmige Gestalt der Kerne führt darauf, dass Massenzahl A proportional Radius r^3 ist. Damit ist der Kernradius proportional zur dritten Wurzel der Kernmassenzahl (Nukleonenzahl) oder r = r_0 A^(1/3) mit Kernradiuskonstante 1,2 fm. 13. Juli 2011 | | 4 Kerne und Teilchen Nuclear Matter Distribution typical values central density Springer, Berlin (1994) −1 Teilchen und Kerne, ª § r − R ·º ρ (r ) = ρ 0 «1 + exp¨ ¸» © a ¹¼ ¬ Povh, Rith, Scholz, Zetsche, Constant density in center, fixed surface thickness parameterized by Fermi function ρ 0,Matter = 0.17 fm -3 surface thickness approximately 1.4 fm a ≈ 0.35 fm Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 5 Die Kerndichteverteilung wird üblicherweise mit der gezeigten Fermi-Verteilung parametrisiert. Die Werte für R können aus dem A^1/3Gesetz abgeschätzt werden. Für die zentrale Dichte (für Materie, für die Ladung muss der Wert mit Z/A multipliziert werden) findet man näherungsweise 0,17 Nukleonen pro Kubikfemtometer. Die Oberfläche ist diffus und kann für die meisten stabilen Kerne durch den einheitlichen Parameter a = 0,35 fm abgeschätzt werden. 13. Juli 2011 | | 5 Kerne und Teilchen Mass of Nuclei Atomic mass > 99% in nucleus atomic mass unit u = 1.661 10-27 kg = 931.5 MeV/c2 proton mass mp = 1.673 10-27 kg = 938.3 MeV/c2 neutron mass mn = 1.675 10-27 kg = 939.6 MeV/c2 electron mass me = 9.109 10-31 kg = 0.511 MeV/c2 = 1/1836 mp Atomic mass smaller than sum of proton, neutron, and electron masses binding energy B(A,Z) m( Z , A) = Zm p + Zme + Nmn − B( Z , A) c2 Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 6 Atomkerne sind viel schwerer als Elektronen (m_Elektron = ca. 1/1836 * m_Proton). Die atomare Masse steckt also zu über 99% im Kern. Ein Proton und ein Neutron haben ungefähr gleiche Masse und sind geringfügig schwerer als die atomare Masseneinheit. Kernmassen können wie Atommassen z.B. mit Massenspektrographen gemessen werden. Die atomare Masseneinheit ist aber geringer als die Masse eines einzelnen Protons oder Neutrons. Dies liegt darin begründet, dass bei der Formierung eines Atomkerns ein Teil der Masse der Konstituenten in Bindungsenergie umgewandelt wird. Energie ist ja nach Einstein zur Masse äquivalent. Die atomare Masse, die meistens angegeben wird, beinhaltet Z Protonen- und Z Elektronenmassen sowie N Neutronenmassen, die um die Bindungsenergie/c^2 verringert werden. Bei Atomkernen ist also das Ganze WENIGER als Summe seiner Bestandteile. 13. Juli 2011 | | 6 Kerne und Teilchen Empirical Bethe-Weizsäcker Mass Formula Parameterization of binding energies and masses based on liquid-drop model interaction terms: volume, surface, Coulomb interaction, proton-neutron asymmetry, pairing interaction between nucleons B( Z , A) = av A − as A 2/3 av = 15.7 MeV Z2 δ ( N − Z )2 − ac 1 / 3 − a a − 1/ 2 A A 4A as = 17.2 MeV ac = 0.71 MeV aa = 93.2 MeV ­− 11.2 MeV ⇔ Z , N gerade ° δ = ®+ 11.2 MeV ⇔ Z , N ungerade ° ¯ C.F. von Weizsäcker www.uni-goettingen.de 0 MeV ⇔ A ungerade H.A. Bethe nobelprize.org Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 7 Die Bindungsenergien und damit die genauen Kernmassen bzw. Atommassen können mit Hilfe der Bethe-Weizsäcker-Massenformel parametrisiert werden. Die Parametrisierung nimmt an, dass Kerne näherungsweise durch geladene, zweikomponentige Flüssigkeitstropfen beschrieben werden können. Die Parameter der Massenformel hängen von der Massenzahl A, der Ordnungszahl (Protonenzahl) Z und davon ab, ob Protonen- und Neutronenzahl jetzt gerade oder ungerade sind. Ein Term skaliert mit dem Kernvolumen (~A), an der Oberfläche gibt es weniger Wechselwirkungen zwischen den Nukleonen (Kugeloberfläche ~A^(2/3)), die Protonen im Kern üben Kräfte aufeinander aus (~Z^2, nach Coulomb-Gesetz geteilt durch r ~ A^(1/3)). Außerdem haben Kerne die Tendenz, gleiche Zahlen von Protonen und Neutronen zu besitzen. Abweichungen „kosten“ Energie. Der Paarungsterm korrigiert die Parametrisierung je nachdem, ob die Protonen- und Neutronenzahl gerade oder ungerade ist. Das rührt von der Tendenz der Protonen und Neutronen her, dass jeweils zwei gleichartige Nukleonen miteinander zu einem energetisch besonders günstigen Zustand koppeln. 13. Juli 2011 | | 7 Kerne und Teilchen Average binding energy per nucleon (MeV) Mass number A http://www.physik.uni-muenchen.de Binding Energy per Nucleon Maximum of binding energy per nucleon at ca. A = 60 Energy gain maximizing binding energy Fission Fusion Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 8 Die Bindungsenergie pro Nukleon (also -B/A) zeigt ein charakteristisches Verhalten: Sie wächst bist zu einer Massenzahl von A=60 an und fällt dann zu größeren Massen wieder ab. Man kann also Energie freisetzen (Masse des Gesamtsystems wird geringer), wenn man aus leichten Kernen mittelschwere macht (Fusionsreaktionen) bzw. aus schweren Kernen mittelschwere macht (Kernspaltung). Die Kernspaltung wird noch in dieser Vorlesung besprochen. Auch der Alphazerfall rührt aus einer Optimierung der Bindungsenergien zwischen Mutterkern, Tochterkern und Alphateilchen – einem 4He-Kern – her. 13. Juli 2011 | | 8 Kerne und Teilchen Nuclear Reactions and Decay Processes Reaction equation (cf. chemistry) number of protons and neutrons (nucleons for weak processes) must be conserved A1 Z1 X N 1 + ZA 22 X' N 2 → ZA11++ ZA 22 X"N 1+ N 2 intermediate nucleus may decay immediately A Z X N → ZA33 X' ' ' N 3 + ZA−− ZA33 X""N − N 3 Nomenclature Projectile A Target Reaction Residue A ( a, b) B B Ejectile Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 9 Für Kernreaktionen gilt grundsätzlich das gleiche wie für chemische Reaktionen. Die Zahl der Teilchen (bzw. ihrer Bestandteile) muss erhalten bleiben. Für die meisten Kernreaktionen findet man also, dass die Zahl der Protonen und die Zahl der Neutronen erhalten bleibt. Eine wichtige Ausnahme kennen Sie aus dem Praktikum: Beim radioaktiven Betazerfall wandelt sich ein Neutron in ein Proton um oder umgekehrt. (Der Betazerfall steht hier stellvertretend für die Prozesse, die über die sog. schwache Wechselwirkung ablaufen. Bei Reaktionen, die auf Grund der starken oder der elektromagnetischen Wechselwirkung ablaufen, bleibt die Zahl der Protonen und der Neutronen erhalten.) Die gezeigte Kurzschreibweise wird häufig verwendet. Da durch Angabe von Target, Projektil und Ejektil wegen der Teilchenzahlerhaltung bereits das Reaktionsprodukt festgelegt ist, kann dieses auch weggelassen werden. Bei spontan ablaufenden Reaktionen (z.B. radioaktiver Zerfall) gibt man häufig nur das emittierte Teilchen an, wobei diese Schreibweise bei Zerfällen nicht häufig angewendet wird. 13. Juli 2011 | | 9 Kerne und Teilchen Q Value Kinetic energies before and after reaction equivalent: relativistic masses of reaction partners Q value Q = EB + Eb − EA − Ea kin kin kin kin = [(mA + ma ) − (mB + mb )]c 2 Q > 0 exothermic reaction Q < 0 endothermic reaction minimum energy necessary for reaction to proceed § m · a Ekin > −Q ⋅ ¨¨1 + a ¸¸ © mA ¹ Example: 27Al(α,n)30P ൺ Q = -2.65 MeV, Eα > 3 MeV Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 10 Energiebilanz: Reaktion kann “freiwillig” ablaufen, wenn Energie frei wird. Aber: Bei Reaktionen mit geladenen Teilchen muss zunächst die elektrostatische Abstoßung überwunden werden. Endotherme Reaktionen laufen ab, wenn Projektil hinreichend viel kinetische Energie mitbringt. Energieblianz: Q-Wert: Differenz der (Summe der) kinetischen Energien vor und nach der Reaktion. Kann auch durch Massenbilanz bzw. Bilanz der totalen Energien oder Bindungsenergien ausgedrückt werden. 13. Juli 2011 | | 10 Kerne und Teilchen Radioactivity Exothermic process occurs spontaneously occurs statistically no prediction for individual nuclei but for ensemble Half life time after which half of the nuclei have decayed T1/ 2 = τ ⋅ ln 2 = life time τ, decay constant λ ln 2 Henri Becquerel nobelprize.org λ Pierre und Marie Curie nobelprize.org Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 11 Offenbar zerfallen einige Atomkerne unter Aussendung einer messbaren Strahlung. Das geschieht nur dann, wenn der energetische Zustand des Gesamtsystems nachher günstiger ist als vor dem Zerfall. Radioaktivität bezeichnet entweder den Zerfall von Atomkernen in andere Kerne oder den Zerfall energetisch höher liegender Zustände eines Atomkerns in niedrigere desselben. Wie wir schon bei den Zerfällen angeregter atomarer Niveaus gesehen hatten, ist der radioaktive Zerfall ein statistischer Prozess. Über den Zerfall eines einzelnen Kerns kann man keine Aussage treffen, aber es können Aussagen über das mittlere Verhalten einer großen Zahl von radioaktiven Kernen gemacht werden. Der radioaktive Zerfall ist charakterisiert durch eine Lebensdauer tau bzw. Zerfallskonstante lambda (nicht mit anderen lambdas verwechseln!) bzw. einer Halbwertszeit T_1/2, nach der im Mittel die Hälfte der Kerne eines hinreichend großen Ensembles zerfallen ist. 13. Juli 2011 | | 11 Kerne und Teilchen Radioactive Decay Law Activity A = number of decay events per time interval A=− dN dt Differentialgleichung − dN = λN dt Exponential decay curve N (t ) = N 0 e − λt Activity (unit 1 Becquerel [Bq]) A=− dN = λ N 0 e − λt dt Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 12 Die Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeit wird als Aktivität des Zerfalls bezeichnet. Sie ist gegeben durch die zeitliche Änderung der Anzahl der radioaktiven Kerne N mit der Zeit t. Die Zahl der Zerfälle ist proportional zur Zahl der Kerne. Aus der Lösung der Differentialgleichung erhält man („Trennung der Variablen“) ein einfaches exponentielles Zerfallsgesetz mit Startwert N(t=0) = N_0. Da sich die Aktivität direkt aus der Zahl der Kerne herleitet, nimmt auch die Aktivität einer radioaktiven Probe exponentiell mit der Zeit ab. Die Einheit der Aktivität ist ein Becquerel (Bq); es bezeichnet einen Zerfall pro Sekunde. 13. Juli 2011 | | 12 Kerne und Teilchen Decay Types – Overview α decay: Emission of 4He nuclei 238 e.g. U → 234 Th + 4α 92 146 90 144 2 12C 238U 2 β− decay: electron emission from the nucleus changing a neutron into a proton 14 14 − e.g. stable n → p + e +ν e ; e.g. : 6 C8 → 7 N 7 + e +ν e − 14C β+ decay or electron capture: positron emission, electron absorption changing a proton into a neutron e.g. 15 15 + + p → n + e +ν e ; e.g. : 8 O 7 → 7 N 8 + e +ν e p + e − → n +ν e ; e.g. : 74 Be3 + e − →73 Li 4 +ν e 15O γ decay: internal excitations of nuclei decay by emission of electromagnetic radiation nuclear fission 254Cf Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 13 Folgende radioaktive Zerfallsarten gibt es: Alphazerfall: Emission eines 4He-Kerns (“die Alphastrahlung”) aus einem schweren Atomkern. Protonen- und Neutronenzahl von Tochterkern+Alphateilchen müssen den Zahlenwerten für den Mutterkern entsprechen. Betazerfall kommt in drei Varianten: Beta-Minus-Zerfall: Umwandlung eines Neutrons im Kern in ein Proton im Kern unter Aussendung eines Elektronen (“die Betastrahlung”) sowie eines schwer zu messenden, nur sehr schwach wechselwirkenden Neutrinos. Beta-Plus-Zerfall: Umwandlung eines Protons im Kern in ein Neutron im Kern unter Aussendung eines Positions (“die Beta-Plus-Strahlung”) sowie eines schwer zu messenden, nur sehr schwach wechselwirkenden Neutrinos. Elektroneneinfang (alternativ zum Beta-Plus-Zerfall): Umwandlung eines Protons im Kern in ein Neutron im Kern nach Einfang eines atomaren Elektrons aus der K-Schale sowie Aussendung eines schwer zu messenden, nur sehr schwach wechselwirkenden Neutrinos. Gamma-Zerfall: Emission von elektromagnetischer Strahlung beim Übergang eines Atomkerns aus einem energetisch angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand desselben Kerns. Kernspaltung: Zerplatzen eines sehr schweren Atomkerns in mittelschwere Bruchstücke (“Spaltfragmente”) unter Gewinnung von Bindungsenergie. 13. Juli 2011 | | 13 Kerne und Teilchen The Zoo of Elementary Particles Known: nucleons electrons neutrinos nuclear constituents atomic shell, beta rays beta decay strong, weak, electromagnetic int. weak, electromagnetic interaction weak interaction From nuclear reactions find additional strongly interacting particles: hadrons “heavy” hadrons baryons example: nucleon “medium-mass” hadrons mesons example: pion find additional weakly interacting particles: leptons charged leptons electron, muon, tauon neutral leptons neutrinos: different varieties Particles and antiparticles Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 14 Uns sind bis jetzt Nukleonen (stark, schwach und elektromagnetisch wechselwirkend), Elektronen (schwach und elektromagnetisch wechselwirkend) und Neutrinos (aus dem Beta-Zerfall, die nur schwach wechselwirken) bekannt. Mit Verfügbarkeit von Teilchenbeschleunigern seit den 1930er Jahren wurde eine Vielzahl neuer Teilchen entdeckt. Die zuerst gefundenen klassifizierte man in Teilchen, die mindestens so schwer waren wie die Nukleonen und die man Baryonen (barys = schwer) nannte, und Teilchen, die eine mittlere Masse zwischen Elektronen und Nukleonen hatten und die den Namen Mesonen bekamen (mesos = mittel). Heute nutzt man die Begriffe weiter, auch wenn Mesonen gefunden wurden, die schwerer als Nukleonen sind. Mesonen und Baryonen (mit dem Nukleon als einem typischen Vertreter der Baryonen) wechselwirken stark und werden daher einheitlich Hadronen genannt (hadros = stark). Elektronenähnliche geladene Teilchen wurden auch entdeckt, hier insbesondere das Myon mit einer ebenfalls “mittleren” Masse. Da Elektron, Myon und Tau elektromagnetisch und schwach, nicht aber stark wechselwirken, werden sie als Leptonen bezeichnet (leptos = leicht). Zu dieser Gruppe gehören auch die ungeladenen schwach wechselwirkenden Teilchen, das Neutrino mit seinen “schweren Brüdern”, den zum Myon und zum Tau gehörigen Neutrinos. 13. Juli 2011 | | 14 Kerne und Teilchen Hadron Structure and Strong Interaction Leptons: no structure detectable Hadrons non-zero size excited states Explanation: hadrons are composite objects: constituents: quarks different quark flavors: up, down, charm, strange, top, bottom baryon 3-quark state meson quark-antiquark state proton u d u neutron u d c J/ψ d c Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 15 Bei Leptonen gibt es bis heute keine Hinweise auf eine Substruktur. Die Vielzahl der Hadronen und die Feststellung, dass es sich bei ihnen um räumlich ausgedehte Objekte von der Größe von ca. 1 fm handelt, legt den Verdacht nahe, dass sie eine Unterstruktur besitzen. Man erklärt sich die Struktur der Hadronen in einem einfachen Modell so, dass sie aus deutlich kleineren – idealerweise punktförmigen – Konstitutenten bestenen, den Quarks. Quarks existieren in verschiedenen “Typen”, in der Fachterminologie “Flavors” (= Geschmacksrichtungen) genannt. Um die starke Wechselwirkung zwischen den Quarks zu beschreiben, muss man so etwas wie eine “Ladung” einführen, die aber für das gesamte Hadron nach außen nicht sichtbar sein darf. (Eine solche Ladung hat man frei nie gemessen. Genau so dürfen die Quarks nicht einzeln frei sein, sondern müssen immer in Hadronen eingebunden sein.) Baryonen kann man in diesem Konstituenten-Quarkmodell durch das Zusammenspiel von drei Quarks beschreiben, die drei unterschiedliche “Farbladungen” tragen, so dass – in Analogie zur additiven Farbmischung der Optik – das Hadron “weiß” erscheint. Mesonen bestehen aus einem Quark-Antiquark-Paar, die Farbe bzw. Antifarbe tragen. 13. Juli 2011 | | 15 Kerne und Teilchen Elementary Particles Leptons: Elementary Particles Quarks form Hadrons: Baryon (qqq), Meson (qq) ElectronNeutrino q=0 Electron q=-e d-Quark q=-e/3 u-Quark q=+2e/3 1. Family MuonNeutrino q=0 Muon q=-e s-Quark q=-e/3 c-Quark q=+2e/3 2. Family TauNeutrino q=0 Tau q=-e b-Quark q=-e/3 t-Quark q=+2e/3 3. Family Gravity (negligible) Graviton? Weak Interaction W-, Z-Boson Photon Electromagnetic Interaction Strong Interaction Gluon Summer Semester 2010 | Physics IV | Fachbereich Physik | Institut für Kernphysik | Joachim Enders | 16 Hier noch einmal eine Übersicht über die verschiedenen Teilchen und die Wechselwirkungen, denen sie unterliegen. 13. Juli 2011 | | 16