Bereits in der Antike um 450 v. Chr. vermuteten Philosophen wie Demokrit, dass unsere Welt aus kleinsten Teilchen aufgebaut ist. Sie nannten diese atomos, das ist griechisch für "unteilbar". Als die ersten Atome entdeckt wurden, benannten wir sie nach den Modellen der griechischen Philosophen.
Doch heute wissen wir, dass die Atome keineswegs unteilbar sind, sondern sich aus einer Vielzahl noch kleinerer Teilchen, den sogenannten Quarks, zusammensetzen.
Quarks Atom - Grundlagenwissen
Der Aufbau eines Atoms besteht aus einem Atomkern und einer Atomhülle. Falls du dein Wissen über den Atomaufbau vertiefen möchtest, haben wir dafür auch einen eigenen Artikel.
Der Atomkern
Der Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und neutral geladenen Neutronen.Diese werden durch die starke Kernkraft zusammengehalten. Der Atomkern macht 99,9% der Masse des Gesamtatoms aus, obwohl er im Vergleich zur Atomhülle sehr klein ist.
Vergleich zum Größenverhältnis zwischen Atomhülle und Atomkern:Würde ein Atom auf die Größe eines Fußballfelds anwachsen, hätte der Kern immer die Größe eines Reiskorns in der Mitte des Feldes.
Die Anzahl der Protonen P in einem Atomkern wird durch die Ordnungszahl Z angegeben.
Wasserstoff hat beispielsweise die Ordnungszahl Z = 1, sein Kern besteht also aus einem Proton. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt das Element. Würdest du die Anzahl der Protonen zum Beispiel auf zwei erhöhen, würdest du das Element Helium erhalten.
Das geschieht zum Beispiel bei der Kernfusion. Dieser Prozess findet zum Beispiel im Inneren der Sonne statt, dabei verschmelzen zwei leichtere Atomkerne unter hohem Druck und starker Hitze zu dem schwereren Atomkern eines neuen Elements.
Die Zahl der Neutronen N erhältst du, indem von der Massenzahl A die Ordnungszahl Z abziehst. Die Massenzahl gibt die Anzahl aller Kernteilchen (Protonen und Neutronen) an. Die Anzahl der Neutronen in einem Element kann variieren, das nennst du dann ein Isotop des Elements.
Mit der folgenden Formel erhältst du also die Neutronenzahl N:
Im Folgenden zeigen wir dir in einem Beispiel, wie eine Aufgabe zur Berechnung der Neutronenzahl in einem Element aussehen könnte:
Aufgabe
Schauen wir uns das für das Element Natrium (Na) an:
Das Element Natrium hat die Massenzahl A = 23
und die Ordnungszahl Z = 11. Seine Protonenzahl entspricht der Ordnungszahl,Natrium besitzt also 11 Protonen.
Lösung
Die Zahl der Neutronen berechnen wir mit der Formel:
N = A – Z
N = 23 - 11
N = 12Natrium besitzt also 12 Neutronen.
Der Atomkern besteht also aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen, um den Kern herum befindet sich noch die Atomhülle.
Atomhülle
In der Atomhülle befinden sich die Elektronen. Sie sind negativ geladen und ihre Anzahl entspricht der Zahl der Protonen. Entsprechend sind Atome nach außen insgesamt neutral geladen.
Es gibt allerdings sogenannte "Ionen". Das sind Atome oder Moleküle mit einer positiven oder negativen Ladung. Diese Ladung kommt zustande, wenn ein Atom Elektronen aufnimmt oder abgibt. Damit gleichen sich die Ladungen von Elektronen und Protonen nicht mehr aus.
Ein Atom mit Elektronenüberschuss (mehr Elektronen als Protonen) ist negativ geladen. Umkehrt gilt, ein Atom mit Elektronenmangel (weniger Elektronen als Protonen), ist insgesamt positiv geladen.
Im Bohrschen Atommodell befinden sich die Elektronen auf verschiedenen Schalen um den Kern herum, ähnlich wie die Planeten unseres Sonnensystems um unser Zentralgestirn.
Die Elektronen kreisen auf festgelegten Bahnen um den positiv geladenen Atomkern in der Mitte.
Abb. 1 - Atommodell nach Bohr
Elementarteilchen
Atome sind also teilbar, sie bestehen aus Protonen, Neutronen und Elektronen. Aber es geht noch kleiner. Jetzt kommen wir in den Bereich der Elementarteilchen.
Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie.Du findest sie im Standardmodell der Teilchen. Zu ihnen zählen zum Beispiel Elektronen, Quarks, Photonen und das Higgs-Boson.
Während das Elektron ein Elementarteilchen ist, sind es Protonen und Neutronen hingegen nicht. Das liegt daran, dass sie selbst aus kleineren Teilchen bestehen, den Quarks.
Quarks gehören zur Gruppe der Elementarteilchen. Sie interagieren miteinander und bilden dadurch neue zusammengesetzte Teilchen.Diese neuen Teilchen werden Hadronen genannt, zu ihnen gehören auch Protonen und Neutronen. Quarks werden auch als Materieteilchen bezeichnet, weil die gesamte bekannte Materie aus ihnen besteht.
Arten von Quarks
Es gibt sechs Arten von Quarks, diese werden auch "Flavours" (englisch für Sorten) genannt.Ihr physikalisches Symbol ist jeweils ihr Anfangsbuchstabe, der hier in Klammern angegeben ist:
- Das Up – Quark (u)
- Das Down – Quark (d)
- Das Top – Quark (t)
- Das Bottom – Quark (b)
- Das Charm – Quark (c)
- Das Strange – Quark (s)
Antiquark
Außerdem gibt es zu jedem Quark noch ein Antiteilchen, die Antiquarks.
Zu jedem Elementarteilchen gibt es ein Antiteilchen. Dieses besitzt dieselbe Masse wie das Teilchen selbst, jedoch die entgegengesetzte Ladung. Das Antiteilchen des negativ geladenen Elektrons ist beispielsweise das positiv geladene Positron.
Um zu kennzeichnen, dass es sich um ein Antiquark handelt, ziehst du einen Strich über den Anfangsbuchstaben des Quarks.
Schreibweise für das Up – Quark:
Würdest du alle Teilchen in unserem Universum durch ihr Antiteilchen ersetzen, würde sich nichts ändern. Doch Achtung, wenn du ein Teilchen mit seinem Antiteilchen in Berührung bringst, vernichten sie sich gegenseitig. Diesen Prozess nennst du Annihilation, dabei wird die Materie des Teilchenpaars in Energie umgewandelt.
Welche Eigenschaften Quarks genau besitzen, schauen wir uns im nächsten Abschnitt an.
Eigenschaften der Quarks
Jedes Teilchen zeichnet sich durch bestimmte Eigenschaften aus.
Dazu zählen zum Beispiel die Masse des Teilchens oder seine Ladung. Auch Quarks haben spezifische Eigenschaften, die bestimmen, wie die Teilchen miteinander in Wechselwirkung treten. Diese Eigenschaften helfen uns auch, sie zu klassifizieren.
Generationen
Im Standardmodell der Teilchen werden die Quarks in drei Generationen gruppiert.
| I. Generation | II. Generation | III. Generation |
| Up – Quark | Charm – Quark | Top – Quark |
| Down – Quark | Strange – Quark | Bottom – Quark |
Nur die Quarks der ersten Generation, also "Up" und "Down", kommen häufig in der Natur vor. Die Quarks der anderen Generationen haben eine höhere Masse und sind weitaus instabiler. Sie entstehen zum Beispiel in starken Teilchenkollisionen und zerfallen sehr schnell.
Masse und Größe der Quarks
Erinnere dich an den Vergleich eines Atoms mit einem Fußballfeld von oben. Das Reiskorn in der Mitte ist der Atomkern, der Neutronen und Protonen enthält. Zur Vereinfachung nehmen wir an, es handelt sich um ein Wasserstoffatom mit nur einem Proton als Kern: Das ist dein Reiskorn.
PhysikerInnen nehmen an, dass ein Proton 10.000 mal größer als ein Quark ist. Ein Quark hätte in unserem Vergleich die Größe von einem Zehntausendstel eines Reiskorns. Deshalb werden Quarks auch als Punkte beschrieben, die keine Ausdehnung im Raum haben.
Die Masse von Quarks variiert je nachdem wie sie mit der starken Kernkraft interagieren.Die starke Kernkraft bindet die Teilchen zusammen und verleiht ihnen "Bindungsenergie".
Nach Einsteins Formel 
sind Masse und Energie äquivalent.
Die Formel stammt aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie, die dieser im Jahr 1905 aufstellte. Sie weißt jedem Körper mit einer Masse m eine zugehörige Ruheenergie E zu. Diese berechnest du, indem du die Masse mit dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit multiplizierst. Energie und Masse können also ineinander umgewandelt werden.
Durch die Bindungsenergie bekommen die Quarks also mehr Masse. Die Quarks der drei Generationen haben unterschiedliche Massen. Die der ersten Generation ("Up" und "Down") sind am niedrigsten und auch am stabilsten.
Elektrische Ladung der Quarks
Elektronen und Protonen haben ganzzahlige Ladungen.
- Die Ladung des Protons ist +1e.
- Die Ladung des Elektrons ist –1 e.
Atome besitzen dieselbe Zahl an Protonen und Elektronen. Sie sind daher neutral geladen. Dass sich die Ladungen ausgleichen, siehst du am folgenden Beispiel des Helium-Atoms.
Helium besitzt zwei Protonen und zwei Elektronen:
Genau wie Elektronen oder Protonen besitzen Quarks auch Ladungen, diese sind jedoch nicht ganzzahlig.
Die elektrische Ladung von Quarks kann nur zwei verschiedene Werte annehmen:
- Das Up-, Charm- und das Top-Quark haben jeweils die Ladung
- Das Down-, Strange- und Bottom – Quark haben jeweils die Ladung
Die Einheit e steht hierbei für die Elementarladung. Diese wird in Amperesekunden angegeben:
Die Antiteilchen der Quarks haben immer dieselbe Ladung mit umgekehrten Vorzeichen.
Spin der Quarks
Zu den dir bisher bekannten Eigenschaften von Teilchen kommt nun der Spin als grundlegende Eigenschaft von Teilchen hinzu.
Zur Vereinfachung kannst du dir den Spin wie den Drehimpuls des Teilchens vorstellen, das um seine eigene Achse rotiert. Der Spin eines Teilchens kann nur bestimmte Werte annehmen:
Teilchen mit ganzzahligem Spin heißen Bosonen
Teilchen mit halbzahligem Spin heißen Fermionen
Die Richtung des Spins wird oftmals durch Pfeile angegeben. Zeigt der Pfeil nach oben, ist der Wert des Spins "positiv (+1h)". Zeigt der Pfeil nach unten ergibt sich ein "negativer Spin (-1h)". "h" ist dabei das "plancksche Wirkungsquantum", eine wichtige Konstante in der Quantenphysik.
Abb. 2 - Veranschaulichung des Spins eines Teilchens
Auch Quarks besitzen einen Spin. Dieser ist immer halbzahlig, zum Beispiel
: Quarks sind also Fermionen.
Ihr Spin ist entweder positiv oder negativ, ihre Pfeilrichtung zeigt also nach oben oder nach unten.
Die Bezeichnung "Up"-Quark und "Down"-Quark sagt nichts über die Spin-Richtung der Teilchen aus!
Das plancksche Wirkungsquantum ist eine Naturkonstante. Ihre Entdeckung begründete die Quantenphysik und sie taucht heute in vielen quantenmechanischen Gleichungen auf.
Das plancksche Wirkungsquantum beschreibt das konstante Verhältnis von der Frequenz, mit der das System schwingt und seiner kleinstmöglichen Energie. Die Theorie dahinter besagt, dass die Energie eines schwingenden Systems nur bestimmte Vielfache des Grundwerts annehmen kann, sie ist "gequantelt".
Damit bildet es eine Brücke zwischen den Teilcheneigenschaften (Energie, Impuls) und Welleneigenschaften (Frequenz und Wellenlänge). Das nennst du auch Wellen-Teilchen-Dualismus.
Die Formel für das plancksche Wirkungsquantum lautet:
E ist die Energie eines Photons
h ist die Planck-Konstante
f ist die Frequenz
Die Planck-Konstante hat folgenden Wert und wird in der Einheit Joulesekunden (Js) angegeben:
Farbladung der Quarks
Du kennst wahrscheinlich schon die elektrische Ladung. Sie gibt an, wie stark diese Teilchen mit der elektromagnetischen Wechselwirkung interagieren. Protonen haben beispielsweise die elektrische Ladung +1e.
Eine Ladung ist eine feste Größe in der Physik, die angibt, ob und wie stark Teilchen mit einer der Grundkräfte unseres Universums in Wechselwirkung tritt. Ladungen können nur bestimmte Werte annehmen. In einem System von Teilchen addieren sich die Ladungen.
Darüber hinaus besitzen Teilchen wie Quarks oder Gluonen auch eine sogenannte Farbladung.
Die Farbladung eines Teilchens beschreibt, wie das Teilchen mit der starken Wechselwirkung interagiert. Also der Kraft, die auf kleinstem Raum Teilchen zusammenhält.Je nachdem wie stark ein Teilchen auf die starke Kernkraft reagiert, wird diesem zur Veranschaulichung wird jedem Teilchen eine Farbe zugeordnet. Das ist allerdings nur eine Metapher – die Teilchen besitzen nicht tatsächlich eine Farbe.
Quarks können die "Farben" Rot, Grün und Blau haben. Das sind die großen Kreise auf dem Bild. Ihre Antipartner besitzen die Farben Antirot, Antigrün und Antiblau, manchmal auch als Cyan, Magenta und Gelb bezeichnet. Auf dem Bild findest du sie dort, wo sich zwei große Kreise überschneiden. Die Kombination eines Quarks mit einem Antiquark entsprechender Farbe, führt zur gegenseitigen Aufhebung der Farben, also zu einer weißen Farbladung.
Zum Beispiel werden Rot und Antirot (bzw. Cyan) zu Weiß. Auch die Kombination von Rot, Grün und Blau, sowie Cyan, Magenta und Gelb, ergeben eine weiße Farbladung, wie du auf dem folgenden Bild erkennen kannst:
Abb. 3 - Farbladungen der Quarks sind rot, grün, blau und ihrer Antiquarks sind antirot (cyan), antigrün (magenta) und antiblau (gelb)
Überblick über die Eigenschaften der Quarks
| Quark | Generation | Masse | Ladung | Spin |
| Up (u) | 1. Generation | 2,2 MeV/c^2 | 2/3 | 1/2h |
| Down (d) | 1. Generation | 4,7 MeV/c^2 | -1/3 | 1/2h |
| Charm (c) | 2. Generation | 1,28 GeV/c^2 | 2/3 | 1/2h |
| Strange (s) | 2. Generation | 96,0 MeV/c^2 | -1/3 | 1/2h |
| Top (t) | 3. Generation | 173,1 GeV/c^2 | 2/3 | 1/2h |
| Bottom (b) | 3. Generation | 4,18 GeV/c^2 | -1/3 | 1/2h |
Jedes Quark kann eine der drei Farbladungen annehmen. Das Up – Quark kann also sowohl rot, als auch blau oder grün sein. Jedoch besitzen Quarks immer nur eine Farbladung.
Zusammengesetzte Teilchen
Quarks interagieren miteinander und bilden dabei neue, zusammengesetzte Teilchen: die Hadronen. Zusammengehalten werden die Quarks durch die Gluonen, das sind ebenfalls Elementarteilchen, die als Vermittler der starken Wechselwirkung agieren.
Die starke Wechselwirkung (Kernkraft) ist eine der vier Grundkräfte unseres Universums.Sie sorgt dafür, dass Teilchen zusammengehalten werden, auch wenn sie sich aufgrund ihrer Ladung eigentlich abstoßen würden. Zum Beispiel können durch sie die Protonen und Neutronen den Atomkern formen. Die starke Wechselwirkung besitzt ein Austauschteilchen, das Gluon. Gluon kommt aus dem Englischen "to glue", das bedeutet "kleben" – dieses Teilchen "klebt" also andere Teilchen zusammen.
Quarks kommen in der Natur nie allein vor und treten nur in Kombination mit anderen Quarks auf. Dieser Zustand wird "Confinement" (englisch für Einschluss) genannt. Meist handelt es sich hier um Gruppen aus zwei oder drei Quarks. Diese Teilchen tauschen die Gluonen untereinander aus, wodurch die starke Kernkraft wirkt.
Eine Ausnahme zum sogenannten Confinement bildet das Quark-Gluonen-Plasma. Aufgrund des enormen Drucks und der hohen Temperaturen können die Quarks ihre Bindungen verlassen und in einen neuen Zustand der Materie übergehen. PhysikerInnen nehmen an, dass sich kurz nach dem Urknall alle Materie im Quark-Gluonen-Plasmazustand befand, bevor das Universum abkühlte und sich die ersten Protonen, Neutronen und schließlich Atome und Moleküle bildeten. Auf der Erde konnte im Jahr 2000 das erste Mal ein solches Quark-Gluonen-Plasma im Labor hergestellt werden.
Abb. 4 - Aufbau von Protonen
Der Aufbau von Protonen
Protonen bestehen aus drei Quarks: zwei Up – Quarks und einem Down –Quark. Dabei müssen alle Farbladungen Rot, Grün und Blau vorhanden sein. Festgelegt ist nicht, welches Quark welche Farbladung besitzt.
Die elektrische Ladung der Protonen kommt zustande, indem man die elektrische Ladung der einzelnen Quarks addiert:
Da alle Farbladungen der Quarks vorhanden sind, gleichen sich diese aus – das Proton hat die Farbladung "weiß".
Abb. 5 - Aufbau von Neutronen
Der Aufbau von Neutronen
Neutronen bestehen aus drei Quarks: zwei Down-Quarks und einemUp – Quark. Dabei müssen alle Farbladungen Rot, Grün und Blau vorhanden sein.
Die elektrische Ladung der Neutronen kommt zustande, indem man die Ladung der einzelnen Quarks addiert:
Da alle Farbladungen der Quarks vorhanden sind, gleichen sich diese aus – das Proton hat die Farbladung "weiß".
Das Standard-Modell der Teilchen
Die Physiker*innen, die sich mit dem Aufbau der Materie befassen, haben die kleinsten Teilchen im Standardmodell der Teilchen zusammengefasst. Es dient als Überblick über die bekannten Arten der Elementarteilchen und die verschiedenen Wechselwirkungen: elektromagnetische, starke und schwache Kraft. Die Gravitation wird jedoch außen vor gelassen.
Auf dem Bild siehst du auch, wie die Quarks im Standardmodell eingeordnet werden. Sie zählen zu den Fermionen und lassen sich in drei Generationen einteilen. Rechts neben den Quarks findest du auch das Gluon, ein Boson, das den Austausch der starken Kernkraft gewährleistet.
Im Standardmodell der Elementarteilchen (Abbildung 6) siehst du die Quarks in der violetten Kategorie.
Oben links im jeweiligen Feld sind ihre Masse, Ladung und ihr Spin angegeben. Darunter befinden sich die Leptonen, ebenfalls eine Klasse der Elementarteilchen, zu denen auch das Elektron gehört. In rot sind die Austauschteilchen der Grundkräfte angegeben, zum Beispiel das Gluon.
Das Higgs-Boson bildet seine eigene Kategorie.
Abb. 6 - Standard-Modell der Elementarteilchen
Erforschung von Quarks am CERN
Das CERN ist eine europäische Forschungseinrichtung in der Nähe von Genf, welche sich mit dem Aufbau von Materie beschäftigt und den Wechselwirkungen der starken Kernkraft. In einem großen ringförmigen Teilchenbeschleuniger, dem LHC (Large Hadron Collider) werden Teilchen wie beispielsweise Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit anderen Teilchen auf Kollisionskurs gebracht. Dabei können die Teilchen in ihre Bestandteile zerfallen oder es können auch ganz neue Teilchen entstehen. Die Detektoren am CERN registrieren dann die Teilchen und die PhysikerInnen am CERN werten die Daten aus. Damit gelang zum Beispiel 2012 der Nachweis des sogenannten Higgs-Bosons. Dieses Teilchen verleiht anderen Teilchen ihre Masse.
Abbildung 7: Teilchendetektor am CERN Quelle:pixabay.com
Der Large Hadron Collider des CERNs hat eine Größe von fast 27km und befindet sich unterirdisch in etwa 175m Tiefe.
Quarks Physik - Das Wichtigste
- Quarks gehören zu den Elementarteilchen, es gibt sechs verschiedene Quark-Arten: up, down, charm, strange, top und bottom.
- Du kannst Quarks gemäß ihrer Masse in drei Generationen einteilen. Die Quarks der ersten Generation (up und down) kommen am häufigsten in der Natur vor, denn sie sind am stabilsten.
- Quarks treten nur gemeinsam auf und formen die Teilchenklasse der Hadronen. Dazu zählen auch Protonen und Neutronen.
- Die Gluonen sind die Träger der starken Kernkraft und halten die Quarks im Inneren zusammen.
- Die wichtigsten Eigenschaften der Quarks sind ihre Masse, ihre Ladung, ihr Spin und ihre Farbladung.
- Quarks werden zum Beispiel am CERN erforscht.
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