Hinweis: In diesem Buch gibt es keine Teilchen ohne Masse, sogar die Eich-Bosonen besitzen Masse[1].
Elementarteilchen: Sie bestehen aus sechs Quarks, sechs Leptonen und vier Eichbosonen (abgesehen von Higgs-Boson und Graviton).(siehe Abb. 2)
Spin:
Eigentlich gibt es für Spin in der klassischen Mechanik keine entsprechende Definition. Dies ist ein quantenmechanischer Begriff, der mit einem Drehimpuls vergleichbar ist. Im Gegensatz zum Drehimpuls entsteht er durch Bewegung der Teilchen, ansonsten besitzt Spin alle anderen Eigenschaften vom Drehimpuls. Fermionen besitzen einen halbzahligen Spin und Bosonen haben einen ganzzahligen Spin.
Fermionen:
Fermionen sind diejenigen Teilchen, aus denen z. B. die Materie besteht, und werden in zwei Hauptgruppen unterteilt. 1-Quarks und 2-Leptonen. Diese Teilchen, die der Fermi-Dirac-Statistik
genügen, besitzen einen halbzahligen Spin. Quarks:
Nach dem aktuellen Forschungsstand der Teilchenphysik bestehen die Protonen und Neutronen aus zwei dieser Teilchen. Die Quarks haben den gleichen Spin wie Leptons, jedoch unterschiedliche Masse und Ladung. Es gibt sechs Quarks; up, down, charm, strange, top und bottom.
Proton:
Nach Angaben der Physik besteht ein Atomkern entsprechend der Atomart aus Protonen und Neutronen. Ein Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark. Ein Proton ist elektrisch positiv geladen. Es besitzt einen halbzahligen Spin (1/2) und damit ist es ein Fermion.
Neutron:
Ein Neutron besteht ebenso aus drei Quarks, zwei Down-Quarks und einem Up-Quark. Das Neutron besitzt eine elektrisch neutrale Ladung mit halbzahligem Spin, also 1/2. Deshalb ist es auch ein Fermion.
Leptonen:
Sie sind auch, wie Quarks, kleinste Teilchen, aus denen sich die Materie zusammensetzt (z.B. in einem anderen Universum). Leptonen sind auch Fermionen. Sie unterscheiden sich von Quarks durch Masse und Ladung.
Boson:
Bosonen besitzen einen ganzzahligen Spin. Sie vermitteln Energie zwischen Quarks und Leptonen, also allen vier Grundkräften (Wechselwirkungen). Die Photonen, Gluonen, W-Boson und Z-Boson zählen zu den Eichbosonen und sind Bestandteil von Quanten-Feldtheorien. Die genügen im Gegensatz zu Fermionen der Bose-Einstein-Statistik. Z-Boson ist wie W-Boson ein Elementarteilchen, das die elektro-schwache Wechselwirkung überträgt. Es hat weitestgehend die gleiche Masse und den Spin wie das W-Boson. Die Tatsache, dass das Z-Boson keine elektrische Ladung aufweist, ist der einzige Unterschied zwischen Z- und W-Boson. Photon:
Das Photon ist ein Teilchen, aus dem elektromagnetische Strahlung besteht. Es gehört zu den Eichbosonen und besitzt sowohl Teilchen- als auch den Wellencharakter. Ein Beispiel für Photon ist Licht. Die kleinste Menge an elektromagnetischer Strahlung beliebiger Frequenz ist ein Photon. Photonen erzeugt man z. B. durch Übergänge von Elektronen zwischen verschiedenen Zuständen.
Vier Grundkräfte
1- Gravitation:
Die Gravitation ist die gegenseitige Anziehung von Massen. Sie ist unabschirmbar, mit unbegrenzten Reichweiten. Diese Kraft ist der Grund dafür, dass Gegenstände und Körper auf dem Boden bleiben und nicht herumfliegen. Sie ist die schwächste aller Wechselwirkungen mit einer relativen Stärke von 10⁻³⁹ (10⁻⁴¹). Die Gravitation verursacht die meisten physikalischen Phänomene wie Licht, Elektrizität und Magnetismus usw.
2- Schwache Wechselwirkung:
Sie ist verantwortlich für bestimmte radioaktive Zerfallsprozesse, wie beim Beta-Zerfall. Die schwache Wechselwirkung spielt eine bedeutende Rolle bei der Fusion von Wasserstoff zu Helium in der Sonne. Sie besitzt eine sehr kurze Reichweite von 10⁻¹⁷ m. Überträgerteilchen sind die Teilchen Z⁰, W⁺ und W⁻.
3- Starke Wechselwirkung :
Sie ist die stärkste aller Wechselwirkungen und mit sehr kurzer Reichweite von 10⁻¹⁵ m zuständig für den Zusammenhalt der Nukleonen. Die zugehörigen Überträgerteilchen sind Gluonen.
4- Elektromagnetische Wechselwirkung:
Sie ist eine Wechselwirkung, an der alle Teilchen mit elektrischer Ladung teilnehmen. Die elektromagnetische Wechselwirkung findet über ein Austauschteilchen, also das Photon, statt.
Elektron: Dieses Elementarteilchen mit dem Symbol e ̄ ist ein bedeutendes, negativ geladenes Teilchen, das sehr stabil ist. Die Elektronen besitzen einen halbzahligen Spin, damit gehören sie zu den Leptonen und Fermionen. Sie spielen in jeder Hinsicht in unserem Universum eine sehr große Rolle, beispielsweise verursacht ihre freie Beweglichkeit in Metallen elektrische Leitfähigkeit. Außerdem bilden sie die Elektronenhülle der Atome und Ionen. Die Elektronen haben in diesem Buch eine entscheidende und spezifische Bedeutung, weil die Existenz des Daseins von unzähligen Erscheinungsformen dieser Teilchen abhängig ist.
Positronen:
Das Positron ist ein Antiteilchen des Elektrons, mit dem Symbol e⁺. In diesem Buch spielen diese Teilchen bezüglich der Struktur des Universums, genau wie Elektronen, eine zentrale Rolle.
Meson:
Mesonen sind instabile subatomare Teilchen, die aus einem Quark-Antiquark-Paar aufgebaut sind. Da die Mesonen einen ganzzahligen Spin besitzen, gehören sie zu den Bosonen. Elektrisch geladene Mesonen beteiligen sich an der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung, aber neutrale Mesonen sind an der starken und schwachen Wechselwirkung beteiligt.
Pion:
Ein für uns wichtiges Meson ist das Pion Null mit dem Symbol π⁰, das aus einem Up-Quark und einem Anti-Up-Quark mit der Abkürzung von uu̅ besteht . Die zweite Möglichkeit ist eine Kombination von einem Down-Quark und einem Anti-Down-Quark mit der Abkürzung dd̅. Ebenso wird aus einem Up-Quark und einem Anti-down ein positives Pion gebildet, also π⁺(ud̅) und umgekehrt aus einem down und einem Anti-Up ein negatives Pion, also πˉ mit der Abkürzung von du̅.
Hadron:
Die Teilchen, die aus Quarks oder deren Anti-Quarks bestehen und von starken Wechselwirkungen beeinflusst werden. Protonen und Neutronen sind Hadronen.
Hadronen unterteilen sich in zwei Hauptgruppen: 1-Mesonen und 2-Baryonen.
Baryon:
Sie sind Elementarteilchen, die jeweils aus drei Quarks aufgebaut sind und der schwachen Wechselwirkung, der Gravitation und auch der elektromagnetischen Kraft unterliegen. Protonen und Neutronen sind die berühmtesten Beispiele dafür.
Masse:
In der klassischen Mechanik hängen mit der Masse die Begriffe Gewicht, Schwere und Trägheit zusammen. In der Relativitätstheorie wird die Masse als eine Form von Energie bezeichnet. Diese Definition verwenden wir öfter in diesem Buch.
Ladung:
Die Wechselwirkung von einem Teilchen oder einem Körper gegenüber einem Feld bezeichnet man als Ladung. Allgemein unterscheidet man vier Ladungen:
1-
Elektrische Ladung , die zur elektromagnetischen Wechselwirkung gehört.
2-
Schwache Ladung , die zur schwachen Wechselwirkung gehört.
3-
Farbladung, die zur starken Wechselwirkung gehört.
Die drei Ladungen sind Gegenstand des Standardmodells.
4-
Masse, die zur Gravitationswechselwirkung gehört.
Antiteilchen[2]: In der Elementarteilchenphysik gibt es zu jedem Elementarteilchen ein sogenanntes Antiteilchen. Die Antiteilchen sind in fast allen Eigenschaften wie Masse, Spin und magnetischem Moment identisch mit den ihnen zugeordneten Teilchen, nur im geladenen Zustand haben sie die entgegengesetzte Ladung. Beispielsweise ist das Antiteilchen des Elektrons ein Positron, Antiteilchen der Quarks sind Anti-Quarks usw. Antiteilchen werden mit einem Strich über den ersten Buchstaben gekennzeichnet, zum Beispiel „ū “ für Anti-Up-Quark usw.
Annihilation: Sie ist ein Prozess, bei dem aus dem Zusammenstoß eines Elementarteilchens mit seinem Antiteilchen ein anderes Teilchen entsteht.
Paarbildung:
Bezeichnet die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares.
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[1]Achten Sie bitte auf den Bericht vom 04.Juli.2012 aus dem CERN (der Europäischen Organisation für Kernforschung) bezüglich des entdeckten Teilchens, das wahrscheinlich ein Higgs Boson ist und über eine Masse von 124 bis 126 Gigaelektronenvolt verfügt.
[2] Das Konzept ergibt sich aus der Quantenphysik, im Grunde genommen aus der Quantenfeldtheorie.