Teilchen & Kosmos

Das Standardmodell der Physik. Der Urknall. Die ersten drei Minuten

Subatomare Teilchen
Die erste Begegnung mit subatomaren Teilchen erfolgte bei der Untersuchung der natürlichen Radioaktivität, bei der α-, β- und γ-Teilchen freigesetzt werden, und der kosmischen Strahlung, deren Teilchen tausend- bis millionenfach höhere Energien aufweisen.

Der Nachweis solcher Teilchen geschieht bei der Kollision mit Atomen und anderen subatomaren Teilchen, wobei auftretende Signale untersucht werden. Der Weg führte von Geigerzählern und Nebelkammern, in denen die eintreffenden Teilchen durch Ionisation von Gasmolekülen Spuren hinterlassen, zu Blasenkammern in Beschleunigeranlagen. Bei der kosmischen Strahlung handelt es sich meist um hochenergetische Protonen, die mit den Atomen in der oberen Atmosphäre kollidieren, wobei Sekundärstrahlung entsteht.

Der Begriff der Energie
Der Energieerhaltungssatz besagt, dass die Summen der Energien eines Prozesses z.B. einer Bewegung gleich bleiben.

Der Impulserhaltungssatz besagt, dass in einem geschlossenen System der Gesamtimpuls in jede beliebige Richtung erhalten bleibt.

Die Bewegungsenergie einer sich langsam bewegenden Punktmasse ist E = 1/2 mv². Objekte haben immer auch eine potentielle Energie durch ihre Lage in einem Feld oder durch Kräfte wie etwa eine Feder und innere chemische Energie, die generell alle ineinander umgewandelt werden können.

Maßskala für die Energie
1 Joule ist die potentielle Energie der Masse eine Kilogramms in einem Meter Höhe.

1 Joule = 1 Wattsekunde (Ws)

1 Kilowattstunde = 3,6 x 10⁶Joule

1 Elektronenvolt (eV) ist die Energie, die man braucht, um 1 Elektron auf 1 Volt zu bringen.

1 Joule = 6 x 10¹⁸eV

Im subatomaren Bereich:
Die Ruheenergie eines Teilchen ist:
E₀ = m₀ x c²

Die relativistische Massenzunahme eines Teilchens ist:

Die Gesamtenergie eines Teilchens ist E = mc²

Ist v viel kleiner als c, dann ist die Energie eines Teilchens die Summe aus Bewegungs- und Ruheenergie:

E = 1/2 mv² + m₀c²

Die bisher erwähnten Teilchen sind das Proton, das Neutron, das Elektron und das Photon. Zusätzlich wurden die Antiteilchen erwähnt, das Antiproton, das Antineutron und das Positron.
Weiterhin kam zur Sprache, dass wir zwischen Fermionen (Materieteilchen) und Bosonen (Kraftteilchen) unterscheiden.

Welche Teilchen gibt es sonst noch? Und woraus bestehen sie?

MeV = Megaelektronenvolt
GeV = Gigaelektronenvolt

Masse des Elektrons me = 0,511 MeV
Masse des Protons mp = 938 MeV
Masse des Neutrons mn = 939 MeV