Transcript Aufbau der Materie

Aufbau der Materie
Die Bilder stammen z. T. von verschiedenen
PowerPoint-Präsentationen aus dem Internet.
www-linux.gsi.de/~wolle/TELEKOLLEG/KERN/PPT/Materie.ppt
www.theorie.physik.uni-giessen.de/documents/pib2001/AnimQuarks1.ppt
www.mppmu.mpg.de/english/tdot04_kiesling.pdf
Wie kann man kleine Objekte sichtbar machen?
Auge: ca. 1mm
Lupe: ca. 0,1mm
Mikroskop: ca. 1/1000mm
1/1000 mm = 1 Mikrometer
Wie kann man noch kleinere Dinge sehen?
Und was bedeutet eigentlich sehen?
Sehen bedeutet Abbilden
Von der Lichtquelle gehen
Teilchen (Projektile) aus,
treffen das Zielobjekt
und werden gestreut
und gelangen in den
Detektor.
Wichtig:
Projektile müssen „kleiner“ als die Strukturen des Objekts sein.
Unbekanntes Objekt soll entdeckt werden.
Projektile: Basketbälle
Man kann das unbekannte Objekt noch nicht erkennen!
Projektile sind noch zu groß!
Projektile: Tennisbälle
Man kann das unbekannte Objekt noch immer nicht erkennen!
Die Projektile sollten noch kleiner sein!
Projektile: Murmeln
Jetzt ist das Monster zu erkennen!!! Nichts wie weg!
Objekte mit Wellen „beobachten“
Man kann Objekte mit Wellen wie z.B. Licht sichtbar machen.
Die Wellenlänge muss dabei kleiner als das Objekt sein.
Fisch stört die Welle nicht und
bleibt daher „unsichtbar“.
Stab stört die Welle und
kann daher „gesehen“ werden.
Elektromagnetische Wellen
Verfügbare Wellenlängen
LW
3000 m
MW
300 m
KW
30 m
UKW
GPS
Infrarot
3m
0.3 m
10-6 m
5 .10-7 m
2 eV
10-7 m
10 eV
Röntgen Strahlung
10-10 m
104 eV
γ-Strahlung
10-12 m
106 eV
Licht
UV
Objekte mit Teilchen „beobachten“
Auch Teilchen haben Welleneigenschaften und sind als Projektile
geeignet.
Je höher die kinetische Energie der Teilchen ist,
desto kleiner ist ihre Wellenlänge,
desto kleinere Strukturen kann man sichtbar machen.
Z.B.
Eine passende Energieeinheit für Projektile
Die Energie der Projektile gibt man in der Einheit
Elektronenvolt eV an.
Energie:
1 Elektron Volt = 1 eV
= 1,6  10 -19 Joule
Energie und Auflösunsvermögen:
1 eV
für Auflösung
10-6 m
1 keV
für Auflösung
10-9 m
1 MeV
für Auflösung
10-12 m
1 GeV
für Auflösung
10-15 m
1 TeV
für Auflösung
10-18 m
Atommodell von Rutherford 1911
1911 beschießt Rutherford eine Goldfolie mit Helium-Kernen.
Erklärung der Streuung:
Im Atom mit einem Durchmesser von 100000 fm ist die Masse in
einem positiv geladenen Kern der Größe < 5 fm konzentriert.
Entdeckung des Neutrons 1932
1932 beschießt Chadwick Beryllium mit Helium
und entdeckt dabei das Neutron.
Beginn der Kernphysik
Der Atomkern ist aus Protonen und Neutronen aufgebaut.
Neutron = ungeladenes Proton,
fast genauso schwer
Entdeckung der Antimaterie
e+
1932 entdeckt Anderson in der Höhenstrahlung das Positron.
Es unterscheidet sich vom Elektron allein durch die positive
Ladung.
Ein „schweres“ Elektron wird entdeckt
1937 wird in der Höhenstrahlung das Myon entdeckt.
Das Myon unterscheidet sich vom Elektron allein dadurch,
dass es etwa 207 mal so schwer ist!
µ
Weitere Teilchen folgen
1947 Pionen
1949 Kaonen
p
K
p
+
_
_
+
K
Die neuen Teilchenbeschleuniger
liefern in den folgenden Jahren
immer mehr Teilchen.
1965 waren es schon mehr als 100
„Elementarteilchen“.
K
1949 Pion
po
o
1951 Lambda
L
1951 Kaon
Ko
1953 Sigma
S
+
Teilchenfamilien
Die Teilchen kann man in unterschiedliche Familien einteilen:
Hadronen
Teilchen, die die starke
Kernkraft spüren
Leptonen
Teilchen, die die starke
Kernkraft nicht spüren
Elektronen und
Neutrinos
Baryonen
Schwere Hadronen
Z.B.
Proton, Neutron,
Lambda, ...
Mesonen
Leichte Hadronen,
die bei Reaktionen
am Kern erzeugt
werden, wie z.B.
Pionen, Kaonen, ...
Quarks
1963 gelingt es Gell-Mann, eine neue Ordnung in die
Hadronenfamilie zu bringen.
Alle bis 1963 bekannten Hadronen kann man sich aus drei
verschiedenen Quarks (und ihren Antiquarks) aufgebaut denken.
Die Quarks heißen up, down und strange (u, d und s).
Baryonen bestehen dabei
immer aus drei Quarks
p
u
u
d
n
d
u
d
Mesonen bestehen immer aus einem
Quark und einem Antiquark.
p+
K-
d
u
u
s
Eigenschaften der Quarks
Quarks haben seltsame elektrische Ladungen!
Name
Zeichen
Ladung Q
up-Quark
u
2/3 e
down-Quark
d
-1/3 e
strange-Quarks
s
-1/3 e
Damit erhält das Proton mit uud die
Ladung 2/3e + 2/3e – 1/3e = +1e
und das Neutron erhält mit udd die
Ladung 2/3e – 1/3e – 1/3e = 0e .
Quarks bekommen Farbe
Um zu erklären, dass immer nur 3 Quarks (Baryonen) oder aber
ein Quark und ein Antiquark (Mesonen) auftreten, gibt man den
Quarks die Eigenschaft Farbe (rot, grün und blau für Quarks und
antirot (cyan), antigrün (magneta) und antiblau (gelb) für Antiquarks)
und sagt:
Es treten immer nur Kombinationen von Quarks auf, die die Farbe
weiß haben.
Quarks gibt es nie alleine
Da ein einzelnes Quark nie die Farbe weiß hat, kann man ein
einzelnes Quark auch nie beobachten.
Aber was passiert, wenn man trotzdem versucht, die Quarks
zu trennen?
Es entstehen ganz einfach
neue Hadronen!
Neue Unruhe im Teilchenzoo
Die drei Quarks u, d und s reichen nicht aus,
um die neu gefunden Teilchen zu beschreiben.
Drei zusätzliche Quarks (charm c, bottom b und top t)
werden theoretisch benötigt und schließlich auch gefunden!
Die drei Quark-Familien
Mit 6 Quarks und den zugehörigen Antiquarks
kann man alle Baryonen beschreiben.
Flavour
Generation
Symbol
Massen in MeV/c2
elektrische
Ladung in e
up
down
I.
u
d
1,5 bis 5
17 bis 25
+2/3
-1/3
strange
charm
II.
s
c
60 bis 170
1100 bis 1400
-1/3
bottom
top
III.
b
t
4100 bis 4400
173800 +/- 5200
-1/3
Aus Experimenten kann man herauslesen,
dass es keine weitere Quark-Familie gibt.
+2/3
+2/3
Die drei Leptonen-Familien
Auch von den Leptonen gibt es genau drei Familien.
• Elektronen
• Myonen = schwere (210 x) Elektronen
• Tauonen = noch schwerere (3500 x) Elektronen
• + jeweils 1 zugehöriges Neutrino
Eigenschaften der Leptonen
Name
Generation
Symbol
Ruhemasse in
MeV/c2
Elektr.
Ladung
in e
I.
ne
e
< 15.10-6
0,511
0
-1
Müon-Neutrino
Müon
II.
nm
m
< 0,17
105,7
0
-1
Tauon-Neutrino
Tauon
III.
nt
t
< 24
1777
0
-1
Elektron-Neutrino
Elektron
Lebensdauer



2,197.10-6 s

3,05 .10-13 s
Aufbau jeglicher Materie
Jedes noch so kurzlebige
Materieteilchen kann man aus
den „echten Elementarteilchen“
der drei Quark- bzw. LeptonenFamilien (sowie den zugehörigen
Antiteilchen) aufbauen.
Aufbau der uns umgebenden Materie
Fundamentale Bausteine der uns umgebenden Materie sind:
– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d
– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)
Es verabschieden sich das Proton und das Neutron
Ende