Materie & Energie

Subatomare Teilchen - Elementarteilchen

Elementarteilchen

Elektronen und Quarks enthalten keine erkennbare Struktur; Sie können nicht reduziert oder in kleinere Komponenten aufgeteilt werden. Es ist daher vernünftig, sie "Elementarteilchen" zu nennen, ein Name, der in der Vergangenheit fälschlicherweise Teilchen wie dem Proton gegeben wurde , bei dem es sich tatsächlich um ein komplexes Teilchen handelt, das Quarks enthält. Der Begriff subatomares Teilchen bezieht sich sowohl auf die wahren Elementarteilchen wie Quarks und Elektronen als auch auf die größeren Teilchen, die Quarks bilden.

Obwohl beide Elementarteilchen sind, unterscheiden sich Elektronen und Quarks in mehrfacher Hinsicht. Während Quarks zusammen Nukleonen innerhalb des Atomkerns bilden, zirkulieren die Elektronen im Allgemeinen in Richtung der Peripherie von Atomen. In der Tat werden Elektronen als von Quarks verschieden angesehen und in eine separate Gruppe von Elementarteilchen eingeteilt, die Leptonen genannt werden . Es gibt verschiedene Arten von Lepton , ebenso wie es verschiedene Arten von Quarks gibt ( siehe unten Quarks und Antiquarks). Es werden jedoch nur zwei Arten von Quarks benötigt, um Protonen und Neutronen zu bilden, und diese bilden zusammen mit dem Elektron und einem anderen Elementarteilchen alle Bausteine, die für den Aufbau der Alltagswelt erforderlich sind. Das letzte benötigte Teilchen ist ein elektrisch neutrales Teilchen namensNeutrino .

Neutrinos existieren in Atomen nicht in dem Sinne wie Elektronen, aber sie spielen eine entscheidende Rolle bei bestimmten Arten des radioaktiven Zerfalls. In einem grundlegenden Prozess einer Art von Radioaktivität , bekannt alsBeta-Zerfall , ein Neutron verwandelt sich in ein Proton. Bei dieser Änderung erhält das Neutron eine positive Ladungseinheit. Um die Gesamtladung im Beta-Zerfallsprozess konstant zu halten und damit dem physikalischen Grundgesetz von zu entsprechenLadungserhaltung , das Neutron muss ein negativ geladenes Elektron emittieren. Darüber hinaus emittiert das Neutron auch ein Neutrino (genau genommen ein Antineutrino), das wenig oder keine Masse und keine elektrische Ladung aufweist . Beta-Zerfälle sind wichtig für die Übergänge, die auftreten, wenn sich instabile Atomkerne ändern, um stabiler zu werden. Aus diesem Grund sind Neutrinos ein notwendiger Bestandteil bei der Bestimmung der Natur der Materie.

Das Neutrino wird wie das Elektron als Lepton klassifiziert. Auf den ersten Blick scheint es also nur vier Arten von Elementarteilchen zu geben - zwei Quarks und zwei Leptonen. In den 1930er Jahren, lange bevor das Konzept der Quarks eingeführt wurde, wurde jedoch klar, dass die Materie komplizierter ist.

Rotieren

Das Konzept der Quantisierung führte in den 1920er Jahren zur Entwicklung von Quantenmechanik , die den Physikern die richtige Methode zur Berechnung der Struktur des Atoms zu bieten schien. In seinem Modell Niels Bohr hatte postuliert, dass sich die Elektronen im Atom nur in Bahnen bewegen, in denen dieDrehimpuls (Winkelgeschwindigkeit Massen multipliziert) hat bestimmte feste Werte. Jeder dieser zulässigen Werte ist durch a gekennzeichnetQuantenzahl , die nur ganzzahlige Werte haben kann. Bei der in den 1920er Jahren entwickelten vollständigen quantenmechanischen Behandlung der Struktur des Atoms ergeben sich drei Quantenzahlen , die sich auf den Drehimpuls beziehen, da die Gleichung drei unabhängige variable Parameter enthält , die die Bewegung von Atomelektronen beschreiben.

Im Jahr 1925 jedoch zwei niederländische Physiker, Samuel Goudsmit undGeorge Uhlenbeck , realisiert wird, dass, um vollständig die erklären Spektren von Licht durch die Atom von emittiertem Alkalimetalle , wie Natrium , die eine äußere haben Elektronen Valenz über den Hauptkern, muss es eine vierte Quantenzahl sein , die nur zwei nehmen Werte, - 1 / 2 und + 1 / 2 . Goudsmit und Uhlenbeck schlugen vor, dass sich diese Quantenzahl auf einen inneren Drehimpuls oder Spin bezieht , den die Elektronen besitzen. Dies impliziert, dass sich die Elektronen tatsächlich wie sich drehende elektrische Ladungen verhalten. Jeder erzeugt daher ein Magnetfeldund hat sein eigenes magnetisches Moment . Der innere Magnet eines Atomelektronens orientiert sich in einer von zwei Richtungen in Bezug auf das vom Rest des Atoms erzeugte Magnetfeld. Es ist entweder parallel oder antiparallel; Daher gibt es zwei quantisierte Zustände - und zwei mögliche Werte der zugehörigen Spinquantenzahl .

Das Konzept des Spins wird nun als eine intrinsische Eigenschaft aller subatomaren Teilchen erkannt . Tatsächlich Spin ist eines der wichtigsten Kriterien verwendet zum Klassifizieren Partikel in zwei Hauptgruppen: Fermionen mit halbzahligen Werten von Spin ( 1 / 2 , 3 / 2 , ...), undBosonen mit ganzzahligen Spinwerten (0, 1, 2,…). Im Standardmodell sind alle "Materie" -Partikel (Quarks und Leptonen) Fermionen, während "Kraft" -Partikel wie Photonen Bosonen sind. Diese beiden Partikelklassen haben unterschiedliche Symmetrieeigenschaften , die sich auf ihr Verhalten auswirken.