Chemie Grundlagen

Elementarteilchen

Du wolltest schon immer wissen, was genau Elementarteilchen sind und wie unsere Welt aus diesen kleinsten Bausteinen aufgebaut ist? Dann ließ unbedingt weiter und erhalte einen spannenden Einblick in die Welt der Teilchenphysik!

Falls du eher der audiovisuelle Lerntyp bist, schau dir doch unser Video  über Elementarteilchen an! Hier wird dir alles in kürzester Zeit anschaulich erklärt.

Inhaltsübersicht

Elementarteilchen einfach erklärt

Als Elementarteilchen bezeichnet man unteilbare, subatomare Teilchen, die als die kleinsten Bausteine der Materie und als „Übermittler“ von Wechselwirkungen fungieren.

Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik zählen zu den Elementarteilchen die Quarks, Leptonen, Eichbosonen (Wechselwirkungsteilchen) und das Higgs-Boson. Theoretisch könnte es noch weitere Elementarteilchen geben, diese sind bisher aber nur hypothetischer Natur und noch nicht experimentell nachgewiesen. Aus den Quarks und Leptonen ist dabei sämtliche Materie aufgebaut, die Eichbosonen übermitteln alle Wechselwirkungen zwischen der Materie und durch Interaktion mit dem Higgs-Boson erhalten die Elementarteilchen ihre Masse. 

All diese Teilchen qualifiziert als Elementarteilchen, dass ihnen (bis heute) keine kleineren Untereinheiten (Substruktur) und kein von Null verschiedener Radius zugeordnet werden kann. Sie sind also wirklich unteilbar.

Elementarteilchen Standardmodell

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschreibt das aktuelle Wissen über Elementarteilchen, ihre Eigenschaften (Masse, Ladung, usw.) und ihre Wechselwirkungen untereinander. Zusammengefasst gibt es folgende Elementarteilchen, die wir uns gleich im Detail ansehen werden:

Elementarteilchen Standard-Modell
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Elementarteilchen Standard-Modell
  • 6 Arten von Quarks: (up, down, charm, strange, top, bottom)
  • 6 Arten von Leptonen (Elektron, Myon, Tauon und ihre jeweiligen Neutrinos)
  • 12 Arten von Eichbosonen, nämlich
    • Photon für die elektromagnetische Wechselwirkung
    • 8 Gluonen für die starke Wechselwirkung zwischen Quarks
    • 3 Bosonen (W^+, W^-, Z^0) für die schwache Wechselwirkung
  • Higgs-Boson
  • die jeweiligen Antiteilchen (das Photon, das Z^0Boson und das Higgs-Boson sind ihre eigenen Antiteilchen und das W^+Boson ist das Antiteilchen des W^-Bosons und umgekehrt)

Grundlegende Einteilung in Fermionen und Bosonen

Auf höchster Ebene können wir die Elementarteilchen in Fermionen und Bosonen unterteilen. Fermionen zeichnen sich durch einen halbzahligen Spin aus, Bosonen hingegen durch einen  ganzzahligen Spin. Ähnlich wie die Masse ist der Spin von Elementarteilchen in der Quantenmechanik eine unveränderliche, innere Teilcheneigenschaft. Er nimmt nur diskrete, mit der Planck Konstante  gequantelte Werte ein und verhält sich wie ein Drehimpuls. Deswegen wird er oft auch Eigendrehimpuls genannt. Die Vorstellung eines rotierenden Punkts – die Elementarteilchen haben ja keine Ausdehnung – ist aber gänzlich falsch! Die fermionischen Elementarteilchen sind die Quarks und Leptonen, die Bosonischen sind die Eichbosonen und das Higgs-Boson.

Quarks

Quarks sind Fermionen mit Spin \frac{1}{2} und wir kennen sechs verschiedene Arten von ihnen, eingeteilt in drei Generationen. Die erste Generation besteht aus up (u) und down (d) Quark, die Zweite aus charm (c) und strange (s) Quark und die Dritte aus top (t) und bottom (b) Quark. Gemäß ihrer Ladungen können wir die Quarks auch in den up-Typ mit Ladung +\frac{2}{3}e, bestehend aus u-, c– und tQuark, und den down-Typ mit Ladung -\frac{1}{3}e, bestehend aus d-, s– und bQuark, unterteilen. Dabei hat jedes Quark einer höheren Generation eine größere Masse als das entsprechende Quark der Niedrigeren. Allerdings unterscheiden sich die Massen auch innerhalb der Generationen stark. Zudem trägt jedes Quark neben seiner elektrischen auch eine zweite Art Ladung, die Farbladung oder Farbe genannt wird. Quarks können die Farbladungen rot (r), blau (b) und grün (g) tragen.

Gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie nach Einstein, E=mc^2, geben wir die winzigen Massen der Elementarteilchen in „angepassten“ Einheiten von \,\frac{\text{MeV}}{c^2} an.

Generation Name Symbol elektrische Ladung in e Masse in \frac{\text{MeV}}{c^2}
1 up u +\frac{2}{3} 2,16^{+0,49}_{-0,26}
down d -\frac{1}{3} 4,67^{+0,48}_{-0,17}
2 charm c +\frac{2}{3} 1270\pm 20
strange s -\frac{1}{3} 93^{+11}_{-5}
3 top t +\frac{2}{3} 172900\pm 400
bottom b -\frac{1}{3} 4180^{+30}_{-20}

Leptonen

Die zweite Gruppe der fermionischen Elementarteilchen, ebenfalls mit Spin \frac{1}{2}, sind die Leptonen, von denen es auch sechs Stück gibt. Auch sie sind in drei Generationen eingeteilt. Pro Generation haben wir hier jeweils ein massives, geladenes Teilchen und sein zugehöriges Neutrino, das elektrisch neutral und im Verhältnis sehr leicht ist. Die erste Generation besteht aus Elektron (e^-) und Elektron-Neutrino (\nu_e), die Zweite aus Myon (\mu^-) und Myon-Neutrino (\nu_\mu) und die Dritte aus Tauon (\tau) und Tauon-Neutrino (\nu_\tau). Elektron, Myon und Tauon tragen alle die Ladung -e und die Massen nehmen wieder mit steigender Generation zu.

Generation Name Symbol elektrische Ladung in e Masse in \frac{\text{MeV}}{c^2}
1 Elektron e -1 0,511...
Elektron-Neutrino \nu_e 0 < 1,1\cdot 10^{-6}
2 Myon \mu -1 105,66...
Myon-Neutrino \nu_\mu 0 <0,17
3 Tauon \tau -1 1777,9...
Tauon-Neutrino \nu_\tau 0 <15,5

Eichbosonen (Wechselwirkungsteilchen)

Die Eichbosonen sind für Wechselwirkungen zwischen entsprechend geladenen (elektrisch, Farbladung, …) Fermionen und auch Bosonen zuständig. Sie sind die Elementarteilchen, die drei der vier Grundkräfte vermitteln, nämlich die elektromagnetische Wechselwirkung, die starke Wechselwirkung zwischen Quarks und die schwache Wechselwirkung (zum Beispiel beim \betaZerfall ). Alle Eichbosonen haben Spin 1. Die Gravitation als vierte Grundkraft mit dem Graviton als zugehöriges Wechselwirkungsteilchen fällt hier aus der Reihe. Das Graviton ist nämlich zwar ein Boson mit Spin 2, aber kein Eichboson, und zudem bisher hypothetisch.

Das Eichboson der elektromagnetischen Wechselwirkung ist das Photon und es überträgt daher nur Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Wir sagen, das Photon „koppelt“ an die elektrische Ladung. Die starke Wechselwirkung zwischen Quarks wird von den acht an die Farbladung koppelnden Gluonen vermittelt. Die Eichbosonen der schwachen Wechselwirkung sind die W^+ und W^-Bosonen (mit elektrischer Ladung \pm e) und das neutrale Z^0Boson. Diese koppeln an den sogenannten schwachen Isospin (auch eine Art Ladung der fermionischen Elementarteilchen). Bis auf W^\pm sind alle Eichbosonen elektrisch neutral und bis auf die sehr schweren W^\pm– und Z^0Bosonen auch masselos.

Eichboson Masse in \frac{\text{MeV}}{c^2} elektrische Ladung in e vermittelte Wechselwirkung
Photon 0 0 elektromagnetische
Z^0-Boson 91187,6\pm 2,1 0 schwache
W^+-Boson 80379\pm 12 +1
W^--Boson -1
8 Gluonen 0 0 starke

Die Vermittlung von Wechselwirkungen durch Eichbosonen, am Beispiel von Photonen, funktioniert wie folgt. Ein elektrisch geladenes Elementarteilchen kann ein Photon erzeugen und vernichten. Interagiert es mit einem anderen elektrisch geladenen Elementarteilchen, so erzeugt es ein Photon, das mit dem anderen Elementarteilchen ausgetauscht und von diesem wieder vernichtet wird. Das Photon überträgt also die Wechselwirkung. Daher werden Eichbosonen auch Wechselwirkungsteilchen oder Austauschteilchen genannt.

Higgs-Boson

Das Higgs-Boson ist eine Folgerung aus dem Higgs-Mechanismus. Dieser wird benötigt, um den W^\pm– und den Z^0Eichbosonen ihre Masse zu verleihen, denn ohne ihn wären alle Eichbosonen masselos (so wie das Photon und die Gluonen). Der Higgs-Mechanismus beschreibt in erster Linie das Higgs-Feld (Felder kennen wir bereits von elektrischen und magnetischen Feldern), das überall im Universum vorhanden ist und mit dem die massiven Eichbosonen, die Quarks und die massiven Leptonen wechselwirken und so ihre Masse erhalten. Die Neutrino-Masse ist Stand heute in der theoretischen Physik noch nicht letztgültig verstanden.

Im Grundzustand des Higgs-Feldes, der einem Vakuum ohne Teilchen entspricht, hat es überall die gleiche Stärke. Durch Wechselwirkung mit massiven Elementarteilchen erhalten diese ihre Masse und das Higgs-Feld wird angeregt. Eine solche elementare Anregung des Higgs-Feldes ist das Higgs-Boson, das also von allen massiven Teilchen erzeugt und vernichtet werden kann. Es ist also streng genommen nicht die Wechselwirkung mit dem Higgs-Boson, die den Teilchen ihre Masse verleiht, sondern die Interaktion mit dem Higgs-Feld, der Higgs-Mechanismus. Das Higgs-Boson ist lediglich eine Konsequenz daraus.

Als Elementarteilchen gesehen ist das Higgs-Boson elektrisch und farbneutral, trägt aber schwachen Isospin, hat Spin 0 und eine sehr große Masse von (125,18 \pm 0,16)\cdot 10^3\,\frac{\text{MeV}}{c^2}. Es ist zudem wichtig, dass das Higgs-Boson nicht durch eine Art Selbstwechselwirkung mit dem Higgs-Feld seine Masse erhält, sondern dass diese eine Voraussetzung für den Higgs-Mechanismus ist.

Antiteilchen

Wir kenne zu jedem Elementarteilchen ein zugehöriges Antiteilchen, das entgegensetzte Ladungen (elektrisch, Farbladung, schwacher Isospin, …) hat, aber sonst, also bezüglich Masse, Spin usw. identisch ist. Als Antiteilchen eines uQuarks mit Farbladung r (rot) finden wir also beispielsweise ein \overline{u}Quark (Überstriche markieren Antiteilchen) mit elektrischer Ladung -\frac{2}{3}e und Farbladung \overline{r} (antirot), das sonst aber identisch ist.

Bei den Bosonen ist die Frage nach den Antiteilchen komplizierter. Das Photon und das Z^0Boson tragen keinerlei Ladung, sie sind also ihre jeweils eigenen Antiteilchen. Jedes Gluonen trägt eine Kombination aus Farbe und Antifarbe (es gibt trotzdem nicht neun, sondern nur acht!) und jede Umkehrung der Farbladungskombination eines Gluons führt stets nur zu einem andern Gluon. Die W^\pmBosonen sind entgegengesetzt elektrisch geladen und haben entgegengesetzten schwachen Isospin, sind also ihre jeweiligen Antiteilchen. Eine weitere Besonderheit der bosonischen Antiteilchen ist, dass das Higgs-Boson, obwohl es schwachen Isospin trägt, auch sein eigenes Antiteilchen ist.

Gemäß dem Gesetz der Ladungserhaltung vernichten sich ein fermionisches Elementarteilchen und sein Antiteilchen wenn sie aufeinandertreffen können auch als Paar erzeugt werden (Paarbildung). Bei den Bosonen ist die Lage wieder deutlich komplizierter!

Elementarteilchen als Bausteine der Materie

Sämtliche uns bekannte Materie besteht aus Quarks und den massiven Leptonen. Dabei bilden Quarks und Antiquarks, zusammengehalten von den Gluonen der starken Wechselwirkung, die Hadronen, die sich in zwei Gruppen aufteilen. Die erste Gruppe sind die bosonischen Mesonen, die aus einem Quark und einem Antiquark zusammengesetzt sind. Der zweite Typ sind die fermionischen Baryonen, die aus drei Quarks bestehen. Die wichtigsten Baryonen sind wohl das Proton (uud) und das Neutron (udd), aus denen die Atomkerne gebildet werden und die dementsprechend auch Nukleonen heißen (vom Lateinischen nucleus für Kern). Atome erhalten wir dann durch Kombination dieser Atomkerne mit Elektronen. Das heißt, dass alle Stoffe, die wir aus dem Periodensystem der Elemente kennen, nur aus Quarks und Leptonen der ersten Generation aufgebaut sind.

Die Hadronen sind zudem stets farbneutral („weiß“). Das heißt, dass sich in Mesonen die Farbe des Quarks und die Antifarbe des Antiquarks zu weiß aufheben und in Baryonen die drei Quarks drei unterschiedliche Farben tragen, die sich wie in der additiven Farbenlehre zu weiß addieren (rotes Licht + blaues Licht + grünes Licht gibt weißes Licht). Tatsächlich müssen freie Teilchen immer farbneutral vorkommen (Confinement Hypothese). Quarks können also auch nie frei und alleine beobachtet werden, sie sind immer in Hadronen gebunden.

Zuletzt sollten wir uns noch die Rolle des Higgs-Mechanismus bei Hadronen ansehen. Das Proton hat eine Masse von ca. 938\,\frac{\text{MeV}}{c^2}, u-, u– und dQuark wiegen zusammen aber nur ungefähr 9\,\frac{\text{MeV}}{c^2}. Wo sind die restlichen 99% der Masse? Sie stecken, wieder gemäß E=mc^2, in der Energie der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks und Gluonen im Proton. Wir sehen also, das der Higgs-Mechanismus für die Masse der alltäglichen Materie fast keine Rolle spielt.


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