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Wechselwirkungen von Teilchen aus dem Teilchenzoo

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Die Autor*innen
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Wolfgang Tews
Wechselwirkungen von Teilchen aus dem Teilchenzoo
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 9. Klasse

Wechselwirkungen von Teilchen aus dem Teilchenzoo Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Wechselwirkungen von Teilchen aus dem Teilchenzoo kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, was die Farbkraft ist.

    Tipps

    Den Aufbau eines einzelnen Protons kannst du prinzipiell mit dem Aufbau des Atomkerns vergleichen.

    Gleichnamige Ladungen stoßen sich ab.

    Quarks tragen Ladung.

    Lösung

    Die Farbkraft bezeichnet die starke Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen.

    Zum besseren Verständnis vergleichen wir die Farbkraft mit den Wechselwirkungen zwischen den Kernkörpern eines Atomkerns. Im Atomkern ist die gesamte positive Ladung des Atoms auf sehr engem Raum gespeichert. Eigentlich müssten sich die Protonen im Kern also abstoßen, denn diese sind ja alle positiv geladen.

    Jedoch halten die Kernkräfte die Teilchen des Atomkerns fest zusammen, sodass dieser seine Struktur erhalten kann. Ähnliches kann man auch auf einer tieferen Ebene beobachten.

    Nun betrachten wir ein einzelnes Proton, welches ja in einem Atomkern gebunden sein könnte. In diesem Proton finden wir drei Quarks. Ein rotes up-Quark, ein grünes up-Quark und ein blaues down-.Quark.

    Über Quarks wissen wir, dass diese auch eine Ladung haben, die wir als Bruch der Einheitsladung $e$ angeben. Up-Quarks sind dabei stets positiv geladen, down-Quarks negativ. In Analogie zum Atomkern, müssten sich also auch hier die gleichnamigen, also positiven Ladungen abstoßen.

    Jedoch geschieht das auch auf dieser Ebene nicht. Es muss also eine Kraft wirken, die den Zusammenhalt der Elementarteilchen bewirkt. Man bezeichnet diese Kraft als Farbkraft.

  • Erkläre, warum man den Einfluss des Gravitrons vernachlässigen kann.

    Tipps

    Das Gravitron ist mit der Schwerkraft verknüpft.

    Die Schwerkraft wirkt nicht nur auf der Erde.

    Die Anziehung auf dem Mond ist viel kleiner als die Anziehung auf der Erde.

    Lösung

    Um zu erklären, warum das Gravitron allgemein vernachlässigt werden kann, betrachten wir zunächst einmal die Austauschteilchen.

    Austauschteilchen sind Teilchen, die bei der Interaktion zwischen Elementarteilchen, etwa bei Stößen, Trennungen oder Richtungsänderungen, dazu genutzt werden, darzustellen, welche Wechselwirkungen ablaufen. Dabei sind die Kräfte, wie etwa die Kernkraft oder die Farbkraft, sehr viel größer als die Gravitationskräfte, deren Austauschteilchen das Gravitron ist.

    Das ist auch ganz logisch, denn wir betrachten Teilchen, die sehr sehr klein und deswegen auch sehr leicht sind . Die Ladung ist im Bezug auf die Masse daher sehr groß und die elektrostatischen Kräfte sind deshalb sehr viel größer als die mechanischen Kräfte, wie etwa die Schwerkraft.

    Eigentlich vernachlässigen wir die Schwerkräfte zwischen einzelnen Körper ohnehin schon in fast allen Rechnungen der Schulphysik. Denn sonst müssten wir bei einer Aufgabe aus dem Bereich der Kinetik berücksichtigen, welche Massen sich im Umfeld der Bewegung befinden, um eine genau Aussage über die Bewegung treffen zu können.

    Die Schwerkraft ist nur für sehr große Massen relevant. Selbst der Mond hat eine Schwerkraft, die sehr viel geringer ist als die auf der Erde. Vielleicht kannst du nun besser nachvollziehen, warum die Anziehung aus der Masse eines Teilchens, das nur $ 10^{-15} m$ groß ist, vernachlässigbar ist.

  • Erkläre die Funktion der Gluonen.

    Tipps

    Das Gluon könnte man gewissermaßen als das Klebeteilchen übersetzten.

    Der Name lässt direkt auf die Funktion schließen.

    Wir können das Gluon als Bindungsenergie auffassen.

    Masse und Energie sind äquivalent.

    Lösung

    Das Gluon könnte man gewissermaßen als das Klebeteilchen übersetzten. Das ist hier auch ganz sinnvoll, denn der Name lässt direkt auf ihre Funktion schließen. Kleber wird genutzt um Teile miteinander fest zu verbinden. Gluonen verbinden Elementarteilchen miteinander. Dabei müssen wir das Gluon als ein Austauschteilchen verstehen.

    Wird die Verbindung zwischen unterschiedlichen Quarks aufgelöst, so wird das Gluon dabei frei. Betrachten wir den einfachsten Fall einer Verbindung zweier Quarks. Wir bezeichnen das Gluon mit $g$ und Quarks mit $Q$.

    Im gebundenen Zustand $ Q - Q$ ist das Gluon eingebunden und nicht sichtbar. Lösen wir die Bindung auf so könnten wir $ Q $, $Q$ und $g$ einzeln darstellen.

    Wir wissen zudem, dass Masse und Energie äquivalent sind. Wir können das Gluon also gewissermaßen als Bindungsenergie verstehen.

  • Analysiere den $\beta ^-$ Zerfall.

    Tipps

    Beim $\beta-$ Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt.

    Bei dieser Wechselwirkung gibt es zwei Austauschteilchen.

    Lösung

    Beim $\beta -$ Zerfall wird ein Neutron in ein Proton überführt.

    Es muss sich also eines der down-Quarks in ein up-Quark umwandeln, denn ein Neutron enthält ja ein down-Quark, wo ein Proton ein up-Quark besitzt.

    Doch wie läuft dieser Prozess genau ab?

    Unter Abgabe des Austauschteilchens $AT$, welches sich hier in ein Elektron und ein Neutrino aufteilt, verändert das Quark seine Struktur.

    Als Resultat wurde sind nun zwei up-Quarks und ein down-Quark in unserem Kernkörperchen vorhanden.

    Aus einem Neutron wurde also ein Proton.

    Betrachten wir die Bilanz der Ladung, so stellen wir fest, dass $ 0 = 1e - 1e$ zutrifft.

    Die gibt ein Neutron die negative Elementarladung eines Elektrons ab, so ist die Ladung nach Abgabe der Austauschteilchens natürlich einfach positiv, genau wie es auf das Proton zutreffen muss.

  • Gib die Systematik des Standardmodells an.

    Tipps

    Man unterscheidet die Teilchen unter anderem nach ihrer Größe.

    Lösung

    Um eine gewisse Systematik in den Teilchenzoo zu integrieren, nimmt man eine Einteilung in drei Generationen vor.

    Innerhalb der Generationen unterscheidet man weiter nach der Größe der betrachteten Teilchen zwischen den Quarks und Leptonen.

    Diese Darstellung des Standardmodells ermöglicht eine bessere Übersicht über die zahlreichen Elementarteilchen.

    Zu den Quarks zählen etwa das up-Quarkund das down-Quark, diese sind die Bausteine für Proton und Neutron und bilden von daher einen wesentlichen Bestandteil für die Erklärung des Aufbaus der Materie.

    Die Leptonen, die ja viel kleiner und leichter sind, finden wir häufig als Austauschteile. Diese geben die Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen an. Ein Beispiel für ein Lepton ist etwa das Elektron.

  • Untersuche die Finemann-Diagramme.

    Tipps

    Wir können das Finemann-Diagramm als eine Funktion $ t (x) $ verstehen.

    Lösung

    Die Finemann-Diagramme stellen verschiedene Wechselwirkungen zwischen den Teilchen des Teilchenzoos im Hinblick auf ihr Verhalten über Zeit und Ort dar.

    Sie sind nach dem amerikanischen Physiker Richard Finemann benannt. Wir können diese also eine Funktion $t(x) $ verstehen.

    Dabei können Wechselwirkungen dargestellt werden, die entweder exklusiv räumlich oder zeitlich ablaufen, oder aber räumlich und zeitlich.

    Die Grundidee ist es, die Wechselwirkungen der Elementarteilchen, die so genannten Elementarprozesse, zu illustrieren.

    In jeder der Darstellungen ist die Wechselwirkung von Elementarteilchen mit den entsprechenden Austauschteilchen abgebildet.

    Im Fall der Paarbildung bewegt sich zunächst das Austauschteilchen über die Zeit, bis es zum Elementarprozess kommt.

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