Big Bang HTL 4, Schulbuch

Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 151 Teilchenphysik und Standardmodell 17 Was sind die kleinsten, unteilbaren Bausteine des Universums? Diese spannende Frage kann auch nach mehr als 2000 Jahren philosophischer und physikalischer Diskussion nicht beantwortet werden. Demokrits Atome (siehe Kap. 13) sind einer unüber- schaubaren Anzahl von Teilchen gewichen, die man scherzhaft als Teilchenzoo bezeichnet (Abb. 17.1). Die meisten dieser Teil- chen sind aber nicht elementar, lassen sich also weiter unterteilen. In den Wissenschaften hat sich ein „Sparsamkeitsprinzip“ bewährt. Gibt es für einen Sachverhalt mehrere Modelle, wird das einfachste bevorzugt. Seit 1978 gibt es das Standardmodell der Teilchenphysik. Es kommt mit nur 25 Elementarteil- chen aus, kann aber alle beobachteten Teilchen und drei der vier bekannten Kräfte erklären. Mit seiner Hilfe wurde in den letzten Jahrzehnten eine Vielzahl von Vorhersagen gemacht, die auch experimentell bestätigt werden konnten. Die meisten Teilchenphysiker halten das Standard- modell für so überzeugend, dass sie glauben, es könnte vielleicht einmal ergänzt oder verbessert, aber sicherlich nie völlig verworfen werden. R ICHARD F EYNMAN hat dazu einmal bemerkt: „The standard-model is working too well“. Sinn- gemäß: Das Standardmodell funktioniert ein- fach zu gut, als dass es falsch sein könnte. Abb. 17.1: Der „Teilchenzoo“ umfasst einige hunderte Teilchen. Einige Beispiele: Sigma ( Σ ), Delta ( ∆ ), Omega ( Ω ), Kaon (K), Phi ( Φ ), Neutron (n), Elektron (e – ), J/Psi (J/ Ψ ), Proton (p). Von den dargestellten Teilchen ist nur das Elektron elementar, die anderen lassen sich weiter zerlegen. Elektronen entdeckte: den Spin! Allgemein – und leider nicht sehr befriedigend – kann man sagen: Der Spin ist eine grundlegende Eigenschaft jedes Teilchens, ähnlich wie seine Masse oder seine Ladung. Alle drei Eigenschaften können wir messen und belegen. Aber es kann niemand sagen, was Ladung, Masse oder Spin „wirklich“ sind. Die Quantenme- chanik entzieht sich vollkommen unserer bildlichen Vorstel- lung ( F2 ). Der Spin eines Quants wird in soundsoviel ħ („h quer“) ange- geben. Der Spin eines Elektrons ist zum Beispiel ½ ħ . Oft lässt man aber die Einheit weg und sagt kurz, der Spin eines Elektrons ist ½. h ist das Planck’sche Wirkungsquantum und ħ = h /2 π . Meist wird der Spin damit erklärt, dass das Quant um seine eigene Achse rotiert. Du musst dir aber darüber im Klaren sein, dass das nur der verzweifelte Versuch ist, sich et- was bildlich vorzustellen, was man sich nicht bildlich vorstel- len kann. Der Ort eines Teilchens ist generell „unscharf“. Quanten können daher auch keine kleinen Kugeln sein, auch wenn sie in diesem Kapitel manchmal zur besseren Verdeutli- chung so dargestellt sind. Info: Spin und Quantenspin -> S. 152 Salopp gesagt teilt uns der Spin mit, wie ein Teilchen aus verschiedenen Blickwinkeln „aussieht“. Natürlich kann man den Spin nicht „sehen“, aber man kann ihn mathematisch beschreiben. Ein Teilchen mit dem Spin 0 ist ähnlich wie ein Punkt und sieht aus allen Richtungen gleich aus (Abb. 17.3 a). Ein Teilchen mit dem Spin 1 sieht nach einer vollen Drehung (b), ein Teilchen mit dem Spin 2 bereits nach einer halben Drehung (c) wieder gleich aus. Ein Teilchen mit dem Spin ½ sieht erst nach zwei vollen Drehungen wieder gleich aus (d). Hier versagt unser Vorstellungsvermögen gründlich! mg5c59 17.1 Wo unser Vorstellungs- vermögen versagt Spin, Fermionen und Bosonen Eines der wichtigsten Merkmale eines Teilchens ist der Spin. Anhand des Spins kann man alle Teilchen generell in zwei Gruppen einteilen. Der Unterschied zwischen diesen beiden Gruppen bestimmt den Aufbau des gesamten Uni- versums. Kleinste Objekte wie die des Teilchenzoos nennt man Quanten. Es gibt eine Eigenschaft aller Quanten, die der österreichische Nobelpreisträger W OLFGANG P AULI 1925 bei Was versteht man unter dem Drehimpuls? Welche Einheit hat er? Was versteht man unter dem Planck’schen Wirkungsquantum? Welche Einheit hat es? Lies nach in Kap. 12.2! R ICHARD F EYNMAN soll einmal gesagt haben: „Ich gehe davon aus, dass niemand die Quantenmechanik versteht“. Was hat er damit gemeint? Was versteht man unter dem Pauli-Verbot? Wie beeinflusst es den Schalenaufbau der Atome und den Aufbau der Atomkerne? Warum verleiht das Pauli-Ver- bot den Elementen ihre chemischen Eigenschaften? Lies nach in Kap. 13.4! In jedem Atomorbital können sich nur maximal zwei Elektronen befinden. Andererseits können sich an einem Ort beliebig viele Photonen befinden. Warum? F1 F2 F3 F4 Nur zu Prüfzw cken – Eigentum des Verlags öbv