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Elementarteilchen Die chemischen Elemente sind nach steigender Kernladungszahl im Periodensystem eingeordnet. Moleküle sind die Bausteine eines chemischen Elements oder einer chemischen Verbindung. Unter Elementarteilchen verstehen wir die kleinsten Bausteine der Materie. Die Quantenmechanik teilt ihnen Quantenzahlen zu, die u. a. ihre Identität (z. B. Spin) und ihre Erhaltungsgrößen (z. B. Baryonenzahl, Leptonenzahl) charakterisieren. Der intrinsische Spin ist keine Rotation, also keine Bewegung im Raum, es handelt sich nicht um den Bahndrehimpuls. Viel mehr ist der Spin eine Eigenschaft, wodurch das Teilchen so wechselwirkt, als würde es rotieren. Im Wesentlichen besteht die uns vertraute Materie aus Teilchen mit halbzahligen Spin. Stabile Teilchen, die nicht zerfallen, sollten das Baryon Proton und das Lepton Elektron sein. Diese lassen sich in drei Gruppen einteilen: A) Bosonen mit ganzzahligem Spin sind Austauschteilchen, sie vermitteln Wechselwirkungen. Eichbosonen (so genannt, weil es sich beim Standardmodell um eine Eichtheorie handelt) vermitteln Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen. 1) Photon vermittelt die elektromagnetische Kraft. Seine elektrische Ladung ist Null und es hat Spin = 1. Ruhmasse = Null. 2) Gluonen vermitteln die starke Kraft (Farbkraft). Es gibt acht Gluonen, die jeweils Kombinationen zweier Farbladungen tragen. Ihre elektrische Ladung ist Null und ihr Spin = 1. Ruhmasse = Null. 3) Graviton vermittelt die Gravitation. Es ist ein hypothetisches Teilchen, das aus Theorien folgt und weil auch die Gravitation ein Austauschteilchen braucht. Seine elektrische Ladung soll Null und sein Spin = 2 sein. Seine Ruhmasse muss Null sein. 4) W- und Z-Bosonen vermitteln die schwache Kraft und haben Spin = 1. Das Z-Boson hat die elektrische Ladung = 0. Das W-plus-Boson hat die elektrische Ladung = 1. Das W-minus-Boson hat die elektrische Ladung = -1. Diese Bosonen haben Masse und theoretische Überlegungen zum Standardmodell verlangen nach einem Mechanismus (Masse bei Austauschteilchen kommen in Eichtheorien nicht vor), der das Problem löst. Dazu wurde ein hypothetisches Higgs-Boson hinzugefügt. B) Hadronen sind zusammengesetzte Teilchen und werden in zwei Kategorien eingeteilt: 1) Mesonen mit ganzzahligem Spin (wie Bosonen). Sie sind Bindungen aus einem Quark und einem Antiquark (z. B. Pionen, Kaonen). 2) Baryonen mit halbzahligem Spin (wie Fermionen). Sie sind Bindungen aus drei Quarks (z. B. Proton UUD, Neutron UDD). Baryonen, die Up- und Down- Quarks enthalten, werden auch Nukleonen genannt, da sie Bestandteile von Atomkernen sind. Baryonen, die das Strange-Quark enthalten, werden Hyperionen genannt. C) Fermionen sind elementare Teilchen, die links- oder rechtshändig sind. Linkshändige unterliegen der schwachen Wechselwirkung. 1) Leptonen mit halbzahligem Spin. Es gibt drei negativ geladene und drei neutrale Leptonen. Rechtshändige Leptonen scheint es nicht zu geben. 2) Quarks mit halbzahligem Spin. Es gibt drei positiv mit + 2/3 geladene und drei negativ mit – 1/3 geladene Quarks. Linkshändige und rechtshändige Quarks unterliegen auch der starken Wechselwirkung. Bislang konnten Quarks nie einzeln beobachtet werden. Als 1994 das sechste Quarks „entdeckt“ wurde, bestätigte sich die Symmetrie der drei Generationen:
Mit den Leptonen-Generationen verbunden, gibt es die Vermutung eines tiefen Zusammenhanges.
Je nach Beobachtung hat ein Teilchen Teilchen –oder Welleneigenschaften. Die Quantentheorie beschreibt Teilchen als Erregungen des jeweiligen Quantenfeldes. Die Quantenfeldtheorie besagt, dass es für jedes Teilchen ein Antiteilchen mit entgegengesetzter Ladung geben muss. Die Quantenmechanik sagt, dass zu jedem Teilchen eine Welle (= Wellenfunktion des Teilchens) gehört, dessen Quadrat der Wahrscheinlichkeit des Aufenthaltsortes des Teilchens entspricht. Möglich also, dass aus den wellenartigen Anregungen des Quantenfeldes erst durch uns als Beobachter das „Teilchen“ entsteht.
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