Physik Elementarteilchen

 Seit der Antike suchen Naturwissenschaftler und Philosophen nach den kleinsten Bestandteilen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Der griechische Philosoph Leukipp postulierte, dass die gesamte Materie aus kleinsten Teilchen besteht. Er nannte sie atomos, das ist griechisch für unteilbar. Erst im 20. Jahrhundert wurden Protonen, Neutronen und Elektronen entdeckt, doch auch hier endet die Suche nach den Elementarteilchen nicht.

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Inhaltsangabe

    Elementarteilchen – Definition Physik

    Einfach erklärt sind Elementarteilchen die kleinsten fundamentalen Bausteine, aus denen unsere Welt aufgebaut ist.

    Elementar bedeutet in diesem Sinne also etwas wie "nicht teilbar" oder "nicht zusammengesetzt".

    Dabei geht der Begriff immer von dem aktuellen Wissensstand in der Physik aus. So wie einst Leukipp und andere glaubten, Atome seien die kleinsten Teilchen, so wurde später angenommen Protonen und Neutronen seien unteilbar.

    Heute wissen wir allerdings, dass Protonen und Neutronen selbst zusammengesetzte Teilchen sind: sie bestehen aus den sogenannten Quarks.

    Quarks gehören - nach heutigem Kenntnisstand - zu den kleinsten bekannten Teilchen, sie sind also Elementarteilchen. Die Quarks in einem Proton werden dabei durch die starke Wechselwirkungskraft zusammengehalten. Die Wechselwirkungskräfte werden selbst durch sogenannte Austauschteilchen vermittelt.

    Als Elementarteilchen bezeichnest Du die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, sowie die Austauschteilchen der vier Wechselwirkungskräfte.

    Jedes Elementarteilchen besitzt ein Anti-Teilchen. Das Teilchen und sein Antimateriepartner besitzen dieselbe Masse, jedoch entgegengesetzte Ladungen.

    Mehr zu den Wechselwirkungskräften findest Du in der Vertiefung.

    Im Universum gibt es vier fundamentale Kräfte (auch Naturkräfte), welche für die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen verantwortlich sind. Zu diesen sogenannten Wechselwirkungskräften gehören die elektromagnetische, die starke und die schwache Wechselwirkungskraft, sowie die Gravitation.

    Die Gravitation ist eine anziehende Kraft, die von jedem Objekt mit einer Masse ausgeübt wird und auf andere Objekte mit einer Masse wirkt. Die Gravitationskraft nimmt mit höherer Masse zu und mit größerer Entfernung ab.

    Die elektromagnetische Kraft beschreibt die Wechselwirkung zwischen Objekten mit elektrischer Ladung und/oder magnetischen Polen. Gleichnamige Ladungen oder Pole stoßen sich ab, während entgegengesetzte sich anziehen.

    Die starke Wechselwirkung tritt als anziehende Kraft bei sehr kleinen Distanzen auf Teilchenebene auf. Sie sorgt dafür, dass zum Beispiel Elementarteilchen zusammengesetzte Teilchen bilden können und ist auch für den Zusammenhalt von Protonen und Neutronen im Atomkern verantwortlich.

    Auch die schwache Wechselwirkungskraft wirkt nur auf atomarer Ebene. Dort ist sie zum Beispiel für den Prozess des radioaktiven Zerfalls verantwortlich.

    Die meisten Elementarteilchen wurden zunächst theoretisch vorhergesagt und erst später experimentell bestätigt, andere wurden auch zufällig entdeckt. Seit den 1940ern stiegt die Anzahl der bekannten Elementarteilchen stark an. Doch welche Arten von Elementarteilchen gibt es eigentlich?

    Elementarteilchen Physik – Arten

    Grundlegend kannst Du zwischen zwei Hauptgruppen der Elementarteilchen unterscheiden: den Fermionen und den Bosonen. Fermionen sind die Überbezeichnung für die insgesamt 12 Materieteilchen. Diese kannst Du anhand ihrer Eigenschaften in zwei Untergruppen einteilen: Leptonen und Quarks.

    Bosonen sind die Teilchen der Wechselwirkungskräfte. Es gibt insgesamt 6 Stück, welche du in Skalar- und Vektorbosonen kategorisieren kannst. Die folgende Abbildung gibt Dir einen Überblick:

    Daneben gibt es noch sogenannte hypothetische Teilchen. Diese wurden noch nie experimentell beobachtet, sondern entspringen verschiedenen Theorien. Nach der Theorie der Supersymmetrie besitzt jedes Teilchen einen sogenannten Super-Partner. Ein hypothetisches Teilchen wäre das Graviton.

    Physik Elementarteilchen – Fermionen

    Alle Materie um dich herum besteht im Kern aus Fermionen. Du bezeichnest sie auch als Grundbausteine der Materie. Das wohl bekannteste Beispiel eines Fermions ist das Elektron, aber auch die Quarks gehören zu dieser Hauptgruppe.

    Fermionen sind Elementarteilchen und die Grundbausteine der Materie. Sie besitzen einen Spin von \(\frac{1}{2}\) und unterliegen deshalb dem Pauli-Prinzip.

    Der Spin ist eine intrinsische, unveränderliche Eigenschaft von Teilchen. Er kann nur bestimmte (diskrete) Werte annehmen, die ein ganzzahliges oder halbzahliges Vielfaches des reduzierten planckschen Wirkungsquantums \(\hbar\) sind.

    Nach dem Pauli-Prinzip können zwei oder mehr identische Teilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen) nicht gleichzeitig denselben Zustand im gleichen Quantensystem einnehmen.

    Der Zustand eines Teilchens wird durch vier Quantenzahlen beschrieben: Haupt-, Neben-, und magnetische Quantenzahl, sowie der Spin. Sind zum Beispiel die drei ersten drei Quantenzahlen bei zwei Elektronen in einem Atomorbital gleich, so müssen die Elektronen unterschiedliche Spins besitzen, nämlich \(s_1=\frac{1}{2}\) und \(s_1=-\frac{1}{2}\) Ein drittes Elektron müsste sich in einer weiteren Quantenzahl unterscheiden.

    Mehr zum Thema Spin, Pauli-Prinzip und Quantenzahlen findest Du in den entsprechenden Artikeln.

    Fermionen selbst lassen sich in zwei Untergruppen unterteilen: die Quarks und die Leptonen.

    Physik Elementarteilchen Leptonen

    Die erste Untergruppe der Fermionen sind die sogenannten Leptonen, zu denen auch die Elektronen aus dem obigen Beispiel gehören. Es gibt insgesamt 6 Arten von Leptonen, die manchmal auch als Flavors bezeichnet werden.

    Wie Du auf der Abbildung siehst, lassen sich die Leptonen in 3 Generationen (auch Familien) einteilen, die Du auch Elektron-, Myon- und Tau-Generation nennst. Jede Generation besteht aus einem elektrisch geladenen Teilchen (Abbildung 2, obere Zeile) und einem entsprechenden neutral geladenen Neutrino (Abbildung 2, untere Zeile). Die Generationen unterscheiden sich vor allem aufgrund ihrer Masse.

    Leptonen sind Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen). Die Klasse der Leptonen besteht aus drei Generationen, den elektrisch geladenen Elektron, Myon und Tauon, sowie deren neutral geladenen Neutrino-Partnern.

    Mehr zu den Leptonen erfährst Du im entsprechenden Artikel.

    Leptonen interagieren mit der Gravitation und der schwachen Wechselwirkungskraft, jedoch nicht mit der starken Wechselwirkungskraft. Nur die Leptonen in der oberen Zeile interagieren mit der elektromagnetischen Kraft, da Neutrinos selbst keine Ladung besitzen.

    Die Masse der Neutrinos ist so klein, dass sie kaum von der Gravitation beeinflusst werden. Sie interagieren mit Materie also nur durch die schwache Wechselwirkung, welche nur auf kleinste Distanzen wirkt. In jeder Sekunde fliegen Milliarden von Neutrinos durch Deinen Körper, ohne, dass Du etwas davon mitbekommst.

    Genau wie die Leptonen, kommt auch die andere Untergruppe der Fermionen in 6 Flavors mit drei Generationen vor.

    Physik Elementarteilchen Quarks

    Der Name Quarks hat nichts mit dem Milchprodukt Quark zu tun, sondern stammt von einem alten englischen Wort für das Krächzen einer Möwe. Der Entdecker Murry Gell-Mann fand diesen Namen wohl passend für die Teilchen mit solch seltsamen Eigenschaften.1

    Am meisten verwunderte ihn wohl die Ladung der Quarks, die gedrittelt ist. Normalerweise besitzen Teilchen nämlich ganzzahlige Ladungen, zum Beispiel hat das Elektron die Ladung \(q=-1 e\).

    Wie Du auf der Abbildung sehen kannst, besitzen die Quarks der oberen Zeile die elektrische Ladung \(q=\frac{2}{3} e\) und die Quarks der unteren Zeile eine Ladung von \(q=-\frac{1}{3} e\). Doch genau diese "seltsamen" Ladungen nehmen eine wichtige Funktion beim Aufbau der Materie ein.

    Quarks sind Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen) und kommen in drei Generationen vor. Sie besitzen eine nicht-ganzzahlige Ladung und interagieren mit allen 4 Wechselwirkungen. Zwei oder mehr Quarks können neue, zusammengesetzte Teilchen bilden.

    Die häufigsten Quarks sind das Up- und Down-Quark. Die Lebenszeit der anderen Quarks ist aufgrund ihrer hohen Masse nur sehr kurz. Mehr zu den Quarks findest Du im entsprechenden Artikel.

    Genau wie bei den Leptonen, gibt es auch 6 Quarks, sie heißen: Up-, Down-, Charm-, Strange-, Top-, Bottom-Quarks.

    Tatsächlich werden diese Quarks ausschließlich in Gesellschaft anderer Quarks vorgefunden, mit denen sie neue Teilchen bilden. Diese Teilchen nennst Du Hadronen und sie werden durch die starke Wechselwirkungskraft zusammengehalten.

    Alle aus Quarks zusammengesetzten subatomaren Teilchen bezeichnest Du als Hadronen. Sie werden durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten. Du unterscheidest Mesonen mit einer geraden Anzahl an Quarks und Baryonen mit einer ungeraden Anzahl an Quarks.

    Die bekanntesten Beispiele für Baryonen sind das Proton und das Neutron. Das Proton besteht aus zwei Up- und einem Down-Quark, umgekehrt besteht das Neutron aus zwei Down- und einem Up-Quark.

    Neben der elektrischen Ladung, besitzen Quarks auch eine sogenannte Farbladung. Bei normaler Materie ist diese entweder rot, grün oder blau. Dies hat weder etwas mit den Farben aus der Optik, noch mit Ladung im Sinne der elektromagnetischen Ladung zu tun. Sie ist lediglich eine Metapher, die beschreibt, wie die starke Wechselwirkungskraft funktioniert.

    Die sogenannte Farbladung ist eine quantenmechanische Zustandsgröße, die die Interaktion von Teilchen mit der starken Wechselwirkung beschreibt.

    Hadronen wie das Proton müssen immer eine weiße Farbladung tragen. Wie sich beim optischen Licht durch Überlagerung der Farben weißes Licht entsteht, so gleichen sich analog die Farben der unterschiedlichen Quarks gegenseitig aus:

    Die Farben gelb, magenta und cyan sind die Farben der Anti-Quarks. Hadronen können sich auch aus Anti-Quarks oder einer Kombination aus Quarks und Anti-Quarks bilden, solange die Farbladungen zusammen weiß ergeben.

    Die starke Wechselwirkung, die durch die Farbladung beschrieben wird, wird selbst durch ein Teilchen vermittelt. Dieses gehört zur zweiten Hauptgruppe der Elementarteilchen.

    Physik Elementarteilchen – Bosonen

    Bisher sind insgesamt 6 verschiedene Bosonen bekannt, wovon das sogenannte Higgs Boson erst 2012 experimentell nachgewiesen wurde.

    Bosonen sind Elementarteilchen mit einem ganzzahligen Spin und unterliegen deshalb nicht dem Pauli-Prinzip. Sie wirken als Austauschteilchen der Wechselwirkungskräfte.

    Das Higgs Boson nimmt allerdings eine Sonderrolle unter den Bosonen ein, da es strenggenommen keine Kraft überträgt, sondern für die Masse anderer Teilchen verantwortlich ist. Wie genau das funktioniert, kannst Du im gleichnamigen Artikel lesen.

    Auf der Abbildung siehst Du die bekannten 6 Bosonen. Das W-Boson wird doppelt gezählt, da es in zwei Formen vorkommt: dem W-Plus-Boson (W +) und dem W-Minus -Boson (W -). Die Namen entsprechen jeweils ihrer ganzzahligen Ladung.

    Bosonen werden im Gegensatz zu Fermionen nicht in Generationen unterteilt, stattdessen unterscheidest Du Skalar- und Vektorbosonen.

    Physik Elementarteilchen – Vektorbosonen

    Vektorbosonen werden manchmal auch als Eichbosonen bezeichnet, zu ihnen gehören das Photon, das Gluon, sowie W- und Z - Bosonen.

    Unter Vektorbosonen (Eichbosonen) verstehst Du Elementarteilchen mit einem Spin von \(s=1\) . Sie sind die Vermittler der Wechselwirkungskräfte.

    Das Photon ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, während das Gluon als Vermittler der schwachen Wechselwirkung und das W- und Z - Boson als Vermittler der schwachen Wechselwirkung fungieren.

    Für die Gravitation ist bisher noch kein Austauschteilchen bekannt.

    Einige Physiker*innen postulieren die Existenz des sogenannten Gravitons als Austauschteilchen der Gravitation. Dieses hypothetische Teilchen hätte einen Spin von \(s=2\). Bosonen mit diesem Spin nennst Du Tensorbosonen. Allerdings wurde dieses Graviton noch nie nachgewiesen und die Theorie ist nicht vollständig kompatibel mit den anderen Teilchen.

    Die Vektorbosonen sind ihre eigenen Antiteilchen, mit Ausnahme des W-Bosons. Bei diesem sind W-Plus und W-Minus ihre gegenseitigen Antiteilchen.

    Physik Elementarteilchen – Skalarbosonen

    Das einzig bekannte Skalarboson ist das Higgs Boson. Dieses Teilchen verleiht anderen Teilchen durch Interaktion eine Masse.

    Skalarbosonen sind Elementarteilchen mit einem Spin von \(s=0\). Das einzige bekannte Skalarboson ist das Higgs Boson.

    Wie Du siehst. gibt es also eine enorme Anzahl an verschiedenen Teilchen mit den unterschiedlichsten Eigenschaften. Doch gäbe es auch nur eines dieser Teilchen nicht, könnte das Universum wie es heute ist nicht existieren.

    Standardmodell der Elementarteilchenphysik

    Um sich einen Überblick über den vielfältigen "Teilchenzoo" zu verschaffen, haben Physiker*innen weltweit das sogenannte Standardmodell der Elementarteilchenphysik geschaffen. Dieses gibt Dir einen Überblick über die uns bekannten Elementarteilchen:

    Elementarteilchen Standardmodell StudySmarterAbbildung 6: Standardmodell der Elementarteilchen

    Du siehst die zwei Hauptgruppen (Fermionen und Bosonen) mit jeweils ihren zwei Untergruppen (Quarks und Leptonen bei Fermionen, Skalar- und Vektorbosonen bei Bosonen), sowie deren Masse, Ladung und Spin.

    Das Standardmodell der Elementarteilchen(physik) ist eine Art Verzeichnis der bekannten Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen.

    Obwohl das Standardmodell einige Fragen offen lässt (zum Beispiel erklärt es nicht das Phänomen der Gravitation), hat es sich in der Praxis als gutes Modell erwiesen und wird von Kern- und Quantenphysiker*innen gleichermaßen benutzt.

    Physik Elementarteilchen Anzahl

    Zählst Du die Teilchen im Standardmodell kommst Du auf insgesamt 18 Elementarteilchen (das W-Boson zählst Du doppelt für W+ und W- ). Doch dies sind bei weitem nicht alle Elementarteilchen. Tatsächlich kannst Du das Standardmodell als eine komprimierte Version eines viel größeren Teilchenkatalogs betrachten.

    Jedes der 12 Fermionen hat zusätzlich einen Anti-Partner, es gibt also insgesamt 24 Fermionen. Die Bosonen bestehen aus dem Photon, dem Z-Boson, zwei W-Bosonen, dem Higgs Boson und insgesamt 8 verschiedenen Arten von Gluonen: insgesamt also 13 Bosonen. Damit kommst Du zunächst auf 37 Elementarteilchen.

    Oft werden die einzelnen Quarks aufgrund ihrer Farbladungen getrennt betrachtet. Es gibt 6 Flavours mit je drei Farben, also 18 Quarks. Dazu kommen nochmal 18 Anti-Quarks, also allein 36 Quarks.

    Damit steigt die Zahl der Elementarteilchen gewaltig an: 13 Bosonen, 12 Leptonen und 36 Quarks ergeben zusammen 61 Elementarteilchen.

    Physik Elementarteilchen – Das Wichtigste

    • Der Begriff Elementarteilchen bezeichnet die kleinsten bekannten Bausteine der Materie, sowie die Austauschteilchen der vier Wechselwirkungskräfte.
    • Elementarteilchen mit einem Spin von \(s=\frac{1}{2}\) bezeichnest Du als Fermionen, sie unterliegen dem Pauli-Prinzip.
    • Leptonen sind Elementarteilchen mit halbzahligem Spin (Fermionen). Die Klasse der Leptonen besteht aus drei Generationen, den elektrisch geladenen Elektron, Myon und Tauon, sowie deren neutral geladenen Neutrino-Partnern.
    • Quarks sind Elementarteilchen, die zusammen neue Teilchen bilden können. Sie gehören zu den Fermionen und haben nicht-ganzzahlige Ladungen.
    • Hadronen sind aus Quarks zusammengesetzte subatomare Teilchen. Du unterscheidest Mesonen und Baryonen.
    • Die sogenannte Farbladung ist eine quantenmechanische Zustandsgröße, die die Interaktion von Teilchen mit der starken Wechselwirkung beschreibt.
    • Bosonen sind Elementarteilchen mit einem ganzzahligen Spin. Sie wirken als Austauschteilchen der Wechselwirkungskräfte.
    • Unter Vektorbosonen (Eichbosonen) verstehst Du Elementarteilchen mit einem Spin von \(s=1\). Sie sind die Vermittler der Wechselwirkungskräfte.
    • Skalarbosonen sind Elementarteilchen mit einem Spin von \(s=0\). Das einzige bekannte Skalarboson ist das Higgs Boson.
    • Das Standardmodell der Elementarteilchen(physik) ist eine Art Verzeichnis der bekannten Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkungen.
    • Zählst Du alle Elementarteilchen & ihre Antipartner zusammen, kommst Du auf insgesamt 61 Elementarteilchen.

    Nachweise

    1. Baker (2013). 50 Schlüsselideen Quantenmechanik. Spektrum Springer.
    2. home.cern: The Standard Model (26.05.2022)
    3. Spektrum.de: Elementarteilchen (26.05.2022)
    Häufig gestellte Fragen zum Thema Physik Elementarteilchen

    Was sind Elementarteilchen einfach erklärt?

    Elementarteilchen sind die kleinsten Bausteine der Materie und die Austauschteilchen der fundamentalen Naturkräfte.

    Wie nennt man ein Elementarteilchen?

    Es gibt viele verschiedene Arten von Elementarteilchen. Ihre Hauptgruppen sind die Fermionen (Materieteilchen) und die Bosonen (wechselwirkungsteilchen).

    Warum gibt es Elementarteilchen?

    Elementarteilchen bilden die Bausteine aus denen unser Universum aufgebaut ist. Ohne Elementarteilchen wäre das Universum vollkommen leer.

    Wie viele Elementarteilchen gibt es?

    Insgesamt gibt es 61 Elementarteilchen (eingeschlossen ihrer Anti-Teilchen).

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    Die Quarks setzen sich zu größeren Teilchen zusammen. Wie nennt man diese?

    Wie heißt der Teilchenbeschleuniger am CERN?

    Welches der folgenden Teilchen ist ein Elementarteilchen?

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