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Elementarteilchen haben zwar in den letzten Jahren etwas von ihrer Faszination
verloren (weil selbst der Durchschnitts Hardcore Physiker nur mehr eine ganz vage Vorstellung davon hat, um was es bei dem
"Higgs - Boson" eigentlich geht, nach dem im Moment mit einem
Aufwand von mehreren Milliarden gesucht wird), sind aber nach wie vor die Grundlage jeglichen Verständnisses für
Materialien |
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Hier werden jedoch nur die wichtigsten Elementarteilchen ganz kurz behandelt.
Alles was zu Stichworten wie "Quarks", "Neutrinos",
"starke und schwache Wechselwirkung", usw, zu sagen wäre, kann in zahlreichen
populärwissenschaftlichen Büchern, oft von Nobelpreisträgern geschrieben, mit großem Gewinn gelesen
werden, z.B in den Büchern von S. Weinberg oder von Gell_Mann. |
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Was sind Elementarteilchen? |
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Keine ganz leicht zu beantwortende Frage, denn wenn man nur die Teilchen dazu zählt,
die man nicht mehr in andere zerlegen kann, bleiben nur "Quarks" und ein paar andere
Exoten. |
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Nimmt man dagegen alles, was in Reaktionen zwischen Teilchen auftreten kann und eine irgendwie
definierte eigene Identität besitzt, haben wir einen ganzen Zoo von weit über 100 "Elementarteilchen".
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Außerdem behaupten die Astrophysiker mit zunehmender Lautstärke, dass es noch weitere,
bisher unbekannte Elementarteilchen geben müsse, die für die sogenannte "Schwarze
Materie" im Universum verantwortlich sein müßten. |
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Wir gehen es deshalb pragmatisch an und behandeln nur die "Elementarteilchen"
die für die unmittelbare Materialwissenschaft wichtig sind. Das sind im wesentlichen Elektronen,
Protonen, Neutronen, Photonen
und Positronen. Es ist wichtig, das "Photon",
das "Lichtteilchen" mit zu den Elementarteilchen zu rechnen! |
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Alle Elementarteilchen haben einige Eigenschaften, die unabänderlich und für sie
charakteristisch sind. Für die meisten dieser Eigenschaften gelten Erhaltungssätze,
d.h. sie müssen bei Reaktionen zwischen Elementarteilchen erhalten bleiben. Darüberhinaus können sie aber
natürlich auch Eigenschaften haben, die variabel sind, z.B. kinetische Energie oder Impuls - auch für diese Eigenschaften
gilt ein Erhaltungssatz in Summe. |
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Zu den spezifischen Eigenschaften der Elementarteilchen gehören auch Eigenschaften oder
"Dinge", die es in der "normalen" Physik nicht gibt, und die deshalb nicht in der Umgangssprache oder
der Physiksprache des frühen 20. Jahrhunderts erklärt werden können - es gibt einfach keine Wörter dafür.
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Ein Beispiel ist der Spin - es ist
einfach falsch, sich den Spin eines Elementarteilchens als den Drehimpuls eines rotierenden
Kügelchens vorzustellen - wie wäre das dann beim Photon, das auch einen Spin hat? Am besten ist es, sich den Spin
einfach als eine besondere Eigenschaft völlig analog zur Ladung vorzustellen - schließlich weiß auch niemand
was "Ladung" mehr ist, als eine meßbare Eigenschaft von Elementarteilchen. Wir haben uns nur inzwischen
an den Begriff gewöhnt, ohne dauernd versucht zu sein, ihn zu hinterfragen. |
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Was sind die wesentlichen Eigenschaften? Hier ist eine Liste: |
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- Ruhemasse; normalerweise über E = mc2 in eV
angeben. Warum Elementarteilchen die Ruhemasse haben, die sie haben, ist eine der spannendsten Fragen der Physik (hier spielt
das oben erwähnte Higgs Boson mächtig rein). Da die kinetische Energie zur Ruhemasse
hinzukommt, ist ein bewegtes Teilchen u.U. deutlich schwerer als ein ruhendes.
- Ladung; kommt immer nur vor als ± e oder 0. Nur
Exoten wie Quarks haben ± n·e/3 als Ladung (n = 1 oder 2). Warum? Niemand weiß es.
- Spin; entweder 0 oder ein Vielfaches von ±1/2;
maximal (bisher) 2 (für das "Graviton", das bisher nur postulierte
"Quant" der Gravitation). Der Spin ist eine dimensionslose Größe.
- Familie - alle Elementarteilchen sind entweder Mitglieder der Leptonen- oder
Hadronenfamilie - oder sie sind Photonen. Bei Interaktionen
muß die Zahl der jeweiligen Familienmitglieder erhalten bleiben (Antiteilchen zählen negativ).
- Hyperladung, Isospin, Strangeness, "Color", "Flavor" , usw. Eine
ganze Reihe von Eigenschaften, ausgedrückt in Zahlenwerten, die speziellen Gesetzen gehorchen (i.d.R. Erhaltungssätzen).
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Eine letzte wesentliche Eigenschaft, wenn man so will, ist die Tatsache, daß es jedes
Teilchen in zwei Versionen gibt: Als "Teilchen"
und als "Antiteilchen". Teilchen und Antiteilchen
unterscheiden sich im Vorzeichen der meisten ihrer Eigenschaften, insbesondere der Ladung, aber nicht in allen. Auch Antiteilchen
unterliegen im übrigen der Gravitation; es gibt keine negative Masse. Teilchen und Antiteilchen derselben Sorte "vernichten"
sich, d.h. zerstrahlen unter Aussendung von z.B. Photonen, wenn sie sich begegnen. |
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Die Existenz der Antiteilchen folgt zwangsweise aus der erweiterten Schrödingergleichung
- der Dirac Gleichung. Es fiel am Anfang nur schwer,
diese unerwarteten Lösungen einer für ganz andere Zwecke postulierten Gleichung zu glauben. |
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Hier eine Tabelle einiger für die Materialwissenschaft wichtiger Teilchen
mit ihren Eigenschaften (HWZ
= Halbwertszeit) |
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| | Elektron |
Positron | Proton |
Neutron | Photon |
Müon | | Masse [MeV] | 0,511
| 0,511 | 938,28 | 939,57 | 0 | 105,66 |
| Ladung [e] | -e | +e | +e | 0 | 0 |
-e | | Spin | 1/2 | 1/2 | 1/2 |
1/2 | 1 | 1/2 | | Familie | Lepton |
Lepton | Hadron | Hadron | Photon | Lepton |
| Isospin etc. | nein | nein | ja | ja |
nein | nein | | Bemerkungen | stabil |
stabil, Antiteilchen
zum Elektron; | stabil ? | nicht stabil
HWZ = 918 s |
stabil
sein eigenes
Antiteilchen | nicht stabil
HWZ = 2,2 ·1 0–6 s |
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Wozu braucht man diese Teilchen in der Materialwissenschaft? |
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Elektron, Proton und
Neutron ist klar: Das sind die Bauteile aller Atome.
Aber Elektronen brauchen wir als Einzelteilchen für vieles andere auch noch - die Elektronik,
zum Beispiel; oder für alles das mit Elektronenstrahlen zu tun hat. |
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Neutronen braucht man aber auch als Einzelteilchen, nicht
nur im Atomkern. Neutronenstrahlen - erzeugt in Kernreaktoren oder speziellen Beschleunigern
- sind aus der Festkörper- und Materialforschung nicht mehr wegzudenken. Neutronenbeugung,
Neutronenstreuung, usw. sind feste Begriffe aus dem Arsenal moderner Analytik. |
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Photonen sind auch klar. Ohne "Licht"
- Radiowellen, Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolet und Röntgenstrahlen inklusive - sieht die Welt sehr trübe
aus - siehe oben. |
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Positronen, die Antiteilchen des Elektrons, braucht man
nicht nur in der Medizin für "PET", die Positronen
Emissions Tomographie (was auch immer das ist), sondern auch für knallharte materialwissenschaftliche Untersuchungen
zur Diffusion. Wer's nicht glaubt, betätigt den Link. |
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Das Müon ist nach wie vor eines der großen Rätsel
der Teilchenphysik. Es ist komplett verstanden und bekannt - es ist nichts weiter als ein zu schwer geratenes Elektron.
Abgesehen von der größeren Masse (und dem "trivialen" Zerfall in ein richtiges Elektron und ein Neutrino-Antineutrino
Paar), ist es völlig identisch mit dem Elektron. Aber warum? Niemand weiß es so richtig. |
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Das soll uns aber nicht daran hindern, Müonen zu benutzen. Erzeugt man einen Müonenstrahl
(mit Mühe und viel Geld, aber ohne große Probleme), und schießt die Müonen ins Material, ersetzen
sie für kurze Zeit in einigen Atomen die Elektronen - wir haben Müonenatome. Damit ändern sich Eigenschaften
meßbar, und man kann Müonen als Sonden für Dinge benutzen, die sonst nur schwer der Messung zugänglich
sind. |
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Der große Rest - z.B das Antiproton
oder Antineutron, alle Arten von Mesonen, die Neutrinos, Hyperonen, Quarks,
usw., spielen noch keine Rolle in der Materialwissenschaft. |
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Aber, wir wollen mal eine Vorhersage wagen: Während der aktiven Berufszeit der jetzigen
(2001) Matwis Studierenden, wird mindestens ein weiteres Elementarteilchen wichtig
werden. |
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© H. Föll (MaWi 1 Skript)
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