Elementarteilchen: Proton, Neutron, Elektron? Von wegen!

Ein Atomkern besteht aus Proton und Neutron. Darum kreisen die negativ geladenen Elektronen. - Diese oder ähnlich lautende Erklärungsmodelle haben wohl die meisten von uns im Laufe der Schulzeit im Physik- oder Chemieunterricht zu hören bekommen. Allerdings ist dies nur ein Bruchteil der Wahrheit. Quantenphysiker gehen nämlich davon aus, dass Atome aus weitaus mehr Teilen bestehen. In einer Vielzahl unterschiedlicher Modelle und Theorien beschreiben sie den Aufbau dieser und der dazugehörigen Elementarteilchen.

Ein Atom - über 200 Elementarteilchen

Während man in der Physik lange Zeit davon ausging, das ELEKTRON, PROTON und NEUTRON die drei kleinsten Bestandteile der Materie sind, kennt die moderne Quantenphysik (von QUANT beziehungsweise vom lateinischen „quantum“, übersetzt „wie groß“ oder „wie viel“) heute über 200 Elementarteilchen, die in ganz unterschiedliche Gattungen und Gruppen eingeteilt werden können.

Ein grundlegendes Unterscheidungskriterium bildet dabei die Masse der Teilchen:

• Sehr leichte Teilchen, wie das ELEKTRON werden unter der Gattung LEPTON zusammengefasst.
• Mittelschwere Teilchen bezeichnet man physikalisch als MESON
• Protonen, Neutronen und andere sehr schwere Teilchen werden als BARYON klassifiziert.
• Einige dieser Teilchen bestehen laut neuerer Erkenntniss aus noch kleineren Teilchen, die als QUARK (pl.: Quarks) bezeichnet werden (siehe unten)

Gegensätze? Ziemlich anziehend und völlig „zerstrahlt“!

„Zu jedem Topf passt ein Deckel.“ – Ein Sprichwort, das offensichtlich nicht nur für die Liebe, sondern auch für die Welt der Elementarteilchen gilt. So hat die Quantenphysik erforscht, dass es zu jedem Teilchen ein entsprechendes Antiteilchen mit gleicher Masse gibt, wie etwa das POSITRON als Gegenstück zum ELEKTRON und das ANTIPROTON als passender „Deckel“ zum PROTON.

Trifft ein Teilchen mit seinem entsprechenden Antiteilchen zusammen, so wird es jedoch wenig romantisch, dafür aber äußerst energiegeladen: Bei der sogenannten „Zerstrahlung“, also dem Zusammenstoß, verlieren nämlich beide Teilchen ihre gesamte Masse und werden stattdessen vollständig in elektromagnetische Strahlung umgewandelt.

Lichtteilchen – Keine Masse und doch voller Energie

Jedes Teil besitzt auch eine Masse. Das klingt soweit logisch, gilt allerdings nicht in der Welt der Quantenphysik, genauer gesagt in der der Quantenelektrodynamik. Diese schreibt dem auch als LICHTQUANT oder Lichtteilchen bekannten PHOTON nämlich keine Masse zu, dafür jedoch ein hohes Maß an Energie und Impuls, das wiederrum von dessen Frequenz abhängig ist.

Dabei gilt: Je höher die Frequenz, desto größer die Energie, desto größer der Impuls.

Veranschaulicht gesprochen, könnte man auch sagen, dass ein PHOTON (vom griechischen Wort „phos“ für „Licht“), der „Stoff“ ist, aus dem jede elektromagnetische Strahlung besteht.

Die Quantenelektrodynamik definiert das PHOTON dabei auch als BOSON beziehungsweise EICHBOSON, ein Begriff, der allerdings letztlich doch einen etwas tieferen Einstieg in die Welt der Quantenphysik erfordert.

Fermion und Boson – Feste Materie und ungeahnte Kräfte

Das nach dem Wissenschaftler Wolfgang Pauli (1900 – 1958) benannte Pauli-Prinzip beschreibt die Annahme, dass zwei Elektronen innerhalb eines Atoms zwar durchaus am selben Ort sein können, dass sie dabei jedoch niemals die gleichen Bewegungseigenschaften haben können, also sozusagen nicht im gleichen Quantenbereich unterwegs sein können.

Definiert wird dieser Quantenbereich - die Quantenzahl - durch das Orbital, den Drehimpuls und den Spin, einer spezifischen Rotationsbewegung des Elektrons. Nach Wolfgang Paulis Ausschließungsprinzip müssen sich zwei Elektronen mindestens in einer Quantenzahl unterscheiden. Diese Regelung gilt übrigens ebenso auch für Protonen und Neutronen. Sie haben einen nicht ganzzahligen Spin, also zum Beispiel den Spin ½, 3/2 oder 5/2.

Zusammengefasst werden die dem Pauli-Prinzip unterliegenden Teilchen unter dem Begriff FERMION (benannt nach Enrico Fermi). Die Fermionen werden wiederrum in zwei Gattungen unterteilt, in LEPTON und MYON.

Im Gegensatz zu den zur Materie gezählten FERMIONEN beschreiben die BOSONEN die Quantisierung von Kräften und Kraftfeldern. Zu den Bosonen zählen Photonen und Gravitonen:

• Das PHOTON vermittelt elektrische und magnetische Kräfte.
• Das GRAVITON ist für die Übertragung der Gravitation also der Schwerkraft verantwortlich.

Hadron, Tachyon und die Gluonen? – Weitere Elementarteilchen

Ihre Namen klingen wie die Helden nordischer Sagenwelten. Allerdings haben HADRON oder MEAON nichts gemeinsam mit Thor, Egil, Fafnir oder anderen nordischen Sagengestalten. Sie beschreiben stattdessen ganz spezifische Elementarteilchen, von denen wir Euch einige gerne etwas genauer vorstellen möchten:

HADRON

Als Hadron (abstammend vom griechischen Wort „hadros“ für „stark“) wird in der Quantenphysik ein Elementarteilchen bezeichnet, das von einer besonders starken Wechselwirkung zusammengehalten wird.

Das bekannteste HADRON ist das NUKLEON, das aus NEUTRON und PROTON besteht und ein Bestandteil des Atomkerns ist. Hadronen bestehen immer aus QUARKS (siehe unten).

TACHYON

Bei diesem Teilchen handelt es sich um ein sehr spannendes, weil bislang nur hypothetisch vermutetes Elementarteilchen. Seine Existenz wurde bisher also weder beobachtet, noch konnten Wissenschaftler indirekt Beweise für sein Dasein erbringen.

In der sogenannten Dirac-Theorie der Antiteilchen-Forschung sorgen Tachyonen dennoch für reichlich Aufsehen, da die Teilchen, so es sie denn gäbe, extrem interessante Eigenschaften aufweisen würden. So wäre das Tachyon ein Elementarteilchen, das mit Überlichtgeschwindigkeit in die Zukunft fliegen würde, das aufgrund von Einsteins Relativitätstheorie jedoch auch reflektiert und dann ebenso auch in die Vergangenheit reisen würde. Die Folge wäre ein Teilchen, bei dem Ursache und Wirkung kaum mehr unterschieden beziehungsweise benannt werden könnte.

GLUON

Gluonen (vom engl. Wort „glue“ für „kleben“) sind indirekt dafür verantwortlich, dass PROTON und NEUTRON im Atomkern zusammengehalten werden. Sie bilden somit eine wichtige Rolle für die „starke Wechselwirkung“, einer der vier Grundkräfte der Physik.

ION

Kein Elementarteilchen im eigentlichen Sinn ist das ION. Es beschreibt nämlich ein komplettes Atom oder Molekül, das aufgrund eines unausgeglichenen Ladungszustandes elektrische Ladung besitzt.

PION

Auch das PION wird heute nicht mehr als Elementarteilchen im eigentlichen Sinn angesehen, da es aus zwei gewöhnlichen Quarks besteht und damit den gewöhnlichen Mesonen zugeordnet werden kann.

DEUTERON

Als DEUTERON (vom griech. Wort „deuteros“ für „der Zweite“) wird der Atomkern des schweren Wasserstoffs (auch „Deuterium“) bezeichnet. Er besteht aus einem PROTON und einem NEUTRON. Deuteronen spielen vor allem bei der Kernfusion von Sternen eine wichtige Rolle.

Quarks – Die Bestandteile der Neutronen und Protonen

Die Teilchenphysik zeigt: Es geht immer noch etwas kleiner. So können auch Neutronen und Protonen in noch kleinere Teilchen aufteilt werden, die als QUARKS bezeichnet werden. Jedes Proton besteht dabei aus zwei up-Quarks und einem down-Quark, jedes Neutron umgekehrt aus einem up- und zwei down-Quarks.

Interessant an Quark-Teilchen ist, dass diese nie als freie Teile beobachtet werden können. Sie treten nämlich in der Natur immer mindestens in Dreiergruppen auf. Versucht man diese zu teilen, so bilden diese sofort neue Teilchen. Bezüglich der Anzahl der Quarks gibt es verhältnismäßig kompakte Teilchen, wie zum Beispiel das BARYON, das aus drei Quarks besteht, oder das MESON, das sich aus einem Quark und einem Antiquark zusammensetzt. Es können aber auch viele weitere komplexe Elementarteilchen, wie das KAON oder das HYPERON definiert werden.

Das Higgs-Teilchen – Der Stargast unter den Elementarteilchen

Im Jahr 2012 machte der schottische Physiker Peter Higgs mit einer spektakulären Entdeckung auch Menschen auf die Teilchenphysik aufmerksam, die dafür bislang nur wenig Interesse übrig hatten. Mit seiner Theorie des Higgs-Teilchens beziehungsweise Gottesteilchens gelang es ihm nämlich, ein Erklärungsmodell dafür zu finden, woher die Teilchen unserer Materie ihre Masse erhalten, war doch unser Sonnensystem der Urknall-Theorie zufolge zu Beginn seiner Entstehung nichts anderes als reine Energie. Wie also konnte aus Energie Masse werden?

Die Higgs-Theorie

Der 2013 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnete Wissenschaftler Higgs beschreibt in seiner Theorie ein den ganzen Kosmos umfassendes Energiefeld, das in Wechselwirkung steht mit jedem Teilchen, das sich darin bewegt. Bei der Bewegung im Energiefeld erfährt das Teilchen so einen Reibungswiderstand, ähnlich einem Menschen, der vom Land ins Wasser geht und nun in seiner Bewegung stärker ausgebremst wird. Diese langsamere Bewegung wirke nach Higgs so, als würde das Teilchen an Masse zunehmen. Das so entstehende dichtere Energiefeld ist dann wiederum der Ursprung für die Entstehung des sogenannten „Higgs-Teilchens.“

David Miller und die Party

Sehr gut veranschaulicht diese Theorie der Physiker David Miller, der das Universum mit einem Raum voller Partygästen vergleicht. Betritt nun ein Promi den Raum, um den sich alle versammeln möchten, so kommt es um den Prominenten herum zu einer Ansammlung von Menschen. Die so entstandene Menschentraube wiederrum wirkt in ihrem Bewegungsprofil träger als jeder Partygast für sich, der sich zuvor noch selbstständig und schnell auf der Party bewegen konnte. Damit entsteht der Eindruck, als würde sich auf einmal mehr Masse im Raum bewegen, als vorher. Tatsächlich aber bewegt sich nach wie vor nur der Promi selbst neu durch den Raum. Dieser jedoch kann viel schlechter in seiner Bewegungsrichtung oder Geschwindigkeit verändert werden als ein einzelner Partygast. Er hat somit einen viel höheren Widerstand.

Zudem wichtig: Innerhalb des Kraftfeldes verhält sich die Trägheit jedes Teilchens anders. So wirkt der Effekt bei einem leichten PARTIKEL, wie dem PHOTON, wie beim Fliegen durch Luft, während sich ein schweres TOP-QUARK verhält, wie beim Durchgang durch zähen Sirup.