Direkt zum Inhalt

Grundwissen & Aufgaben

Im Grundwissen kommen wir direkt auf den Punkt. Hier findest du die wichtigsten Ergebnisse und Formeln für deinen Physikunterricht. Und damit der Spaß nicht zu kurz kommt, gibt es die beliebten LEIFI-Quizze und abwechslungsreiche Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen. So kannst du prüfen, ob du alles verstanden hast.

  • Kurzer Überblick: Was ist Teilchenphysik?

    • Teilchenphysik ist ein relativ junger Teilbereich der Physik
    • Teilchenphysik beschäftigt sich mit den elementaren Bausteinen der Materie, den sog. Elementarteilchen.
    • Teilchenphysik untersucht, wie die Elementarteilchen miteinander wechselwirken.
  • Das Prinzip der Vereinfachung

    • Ein Ziel der modernen Physik ist eine einheitliche Theorie zur Beschreibung aller Phänomene in der Welt zu finden.
    • Dazu werden schrittweise Theorien wie z.B. die Fallgesetze auf der Erde und die Bewegung der Planeten mit einer einheitlichen Theorie beschrieben, hier der universellen Gravitation.
  • Das Standardmodell der Teilchenphysik

    • Das Standardmodell der Teilchenphysik ist die aktuelle Theorie zur Beschreibung von subatomaren Vorgängen.
    • Das Standardmodell basiert auf Symmetrien, sog. lokalen Eichsymmetrien, die die Flexibilität der Natur gut beschreiben.
  • Die vier fundamentalen Wechselwirkungen

    • Die vier fundamentalen Wechselwirkungen sind die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation.
    • Für das Standardmodell spielt die Gravitation zunächst keine zentrale Rolle.
    • Zu jeder Wechselwirkung gehört eine eigene Ladung, deren Wert angibt, wie sensitiv ein Teilchen für diese Wechselwirkung ist.
  • Wechselwirkungen

    • Die starke Wechselwirkung wird von der sog. Farbladung bestimmt und Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die Gluonen.
    • Der schwachen Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen mit schwacher Ladung. Botenteilchen sind die W- und Z-Bosonen.
    • Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen nur geladene Teilchen. Botenteilchen ist das Photon.
  • Botenteilchen

    • Vermittler der starken Wechselwirkung sind 8 verschiedene Gluonen, die verschiedene Kombinationen an Farbladungen tragen.
    • Vermittler der schwachen Wechselwirkung sind \(W^+\)-, \(W^-\)- und \(Z\)-Bosonen, die eine sehr kurze Lebensdauer und eine sehr geringe Reichweite von ca. \(2\cdot 10^{-18}\,\rm{m}\) haben.
    • Photonen sind die Botenteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung, besitzen keinerlei Ladung und haben daher eine unendliche Reichweite.
  • Ladungen

    • Ladungen sind fundamentale und unveränderliche Eigenschaften eines Teilchens, sie können nur bestimmte Werte annehmen (sind gequantelt), bleiben erhalten und bestimmen, ob ein Teilchen einer bestimmten Wechselwirkung unterliegt.
    • Es gibt sechs verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau und die Einordnung der Elementarteilchen geschieht in einem zweidimensionalen Farbgitter.
    • Die schwache Ladung hat das Formelzeichen \(I\) und kann ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{2}\) als Werte annehmen und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig..
    •  Die Größe "elektrische Ladung" hat ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) als Werte und in Vielteilchensystemen addieren sich die Ladungen der Elementarteilchen zahlenmäßig.
  • Kopplungsparameter

    • Der Kopplungsparameter bestimmt, wie stark und wie wahrscheinlich eine Wechselwirkung ist.
    • Für jede der vier fundamentalen Wechselwirkungen gibt es einen Kopplungsparameter \(\alpha\).
    • Der Kopplungsparameter der starken Wechselwirkung \(\alpha_{\rm{S}}\) hängt vom Abstand der Elementarteilchen ab und liegt im Bereich von \(0{,}1\) bis \(0{,}5\).
    • Der Kopplungsparameter der schwachen Wechselwirkung ist\({\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{{30}}\) und der elektromagnetischen Wechselwirkung \({\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{{137}}\).
  • Symmetrien und Erhaltungssätze

    •  Bei jeder Umwandlung von Teilchen oder jedem Wechselwirkungsprozess sind die elektrische, die starke Ladung und meistens auch die schwache Ladung erhalten.
    • Es gibt bei der schwachen Ladung nur wenige Ausnahmen, die alle mit dem Higgs-Teilchen oder Higgs-Feld zu tun haben.
    • Den Zusammenhang zwischen Erhaltungsgrößen und Symmetrien beschreibt das NOETHER-Theorem.
  • Elementarteilchen

    • Die Elementarteilchen der Materie können gut in 3 Spalten, als Generationen bezeichnet, und 3 Zeilen eingeteilt werden.
    • Teilchen der 1. Generation sich up- und down-Quark, Elektron und Elektron-Neutrino und somit die Teilchen, die mit denen man normal in Berührung kommt. Die Teilchen der 2. und 3. Generation treten nur unter extremen Bedingungen auf.
    • Die elektrisch neutralen Leptonen in der ersten Reihe unterliegen nur der schwachen Wechselwirkung, geladene Leptonen in der zweiten Reihe auch der elektromagnetischen Wechselwirkung und Quarks in der dritten Reihe auch der starken Wechselwirkung.
  • Teilchen und Anti-Teilchen

    • Zu jedem Materieteilchen gibt es ein Anti-Teilchen mit exakt der entgegengesetzten elektrischen, starken und schwachen Ladung.
    • Anti-Teilchen werden meist mit einem Querstrich über dem Teilchensymbol gekennzeichnet.
    • Trifft ein Materieteilchen auf sein Anti-Teilchen annihilieren sich beide (Paarvernichtung) - die vorhandene Energie wandelt sich in Botenteilchen um. 
    • Die Paarerzeugung kann nur unter bestimmten Rahmenbedingungen stattfinden, z.B. im Coulomb-Feld eines Atomkerns.
  • Starke Wechselwirkung

    • Der starken Wechselwirkung unterliegen nur Teilchen, die eine Farbladung besitzen, also auf Quarks. Es gibt 6 verschiedene Farbladungen: rot, grün, blau, anti-rot, anti-grün und anti-blau.
    • Die Botenteilchen der starken Wechselwirkung sind die acht Gluonen. Diese tragen selbst unterschiedliche Farbladungen.
    • Es gibt keine freien Quarks, sie finden sich immer in Zweier- oder Dreiergruppen.
  • Schwache Wechselwirkung

    • Nur Teilchen mit einer von Null verschiedenen schwachen Ladung unterliegen der schwachen Wechselwirkung.
    • Die schwache Wechselwirkung wird durch Absorption und Emission von \(W^+\)-, \(W^-\), und \(Z\)-Bosonen vermittelt.
    • Alle Materieteilchen besitzen eine schwache Ladung von \(I=+\frac{1}{2}\) oder \(I=-\frac{1}{2}\). In ihrer Darstellung ist das Vorzeichen oft über die Ausrichtung der Spitze bzw. Rundung codiert.
    • Von den Botenteilchen haben nur die \(W\)-Bosonen eine schwache Ladung von \(I=\pm 1\).
  • Elektromagnetische Wechselwirkung

    • Nur elektrische geladene Teilchen unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung, die durch Absorption und Emission von Photonen vermittelt wird.
    • Die elektrische Ladung eines Elementarteilchens kann als Wert nur ganzzahlige Vielfache von \(\frac{1}{3}\) annehmen.
    • Die elektromagnetische Wechselwirkung hat eine unendlich große Reichweite, aber ihre Kraft nimmt quadratisch mit dem Abstand der elektrisch geladenen Teilchen ab.
  • FEYNMAN-Diagramme

    • FEYNMAN-Diagramme sind schematische Zeit-Ort-Diagramme von Teilchen (nicht die Bahnkurven) und bieten eine übersichtliche Darstellung von Wechselwirkungsprozessen.
    • Oft haben die Diagramme äußere Linien, welche Materieteilchen darstellen und innere Linien, die Botenteilchen darstellen.
    • Wechselwirkungspunkte, an denen Linien zusammentreffen nennt man Vertices (Singular: Vertex).
  • Teilchenphysikaspekte in der klassischen Physik

    • Auch bei Themen der klassischen Physik werden an vielen Stellen Teilchenaspekte deutlich.
    • Beispiele sind die \(\beta\)-Strahlung und das AEgIS-Experiment als Anwendung des waagerechten Wurfs.

Versuche

Das Salz in der Suppe der Physik sind die Versuche. Ob grundlegende Demonstrationsexperimente, die du aus dem Unterricht kennst, pfiffige Heimexperimente zum eigenständigen Forschen oder Simulationen von komplexen Experimenten, die in der Schule nicht durchführbar sind - wir bieten dir eine abwechslungsreiche Auswahl zum selbstständigen Auswerten und Weiterdenken an. Mit interaktiven Versuchen kannst du die erste Schritte Richtung Nobelpreis zurücklegen.

Mehr erfahren Mehr erfahren

Ausblick

Du bist gut in Mathe und schon ein halber Ingenieur? Hier gibt’s für Fortgeschrittene vertiefende Inhalte und spannende Anwendungen aus Alltag und Technik.

Mehr erfahren Mehr erfahren

Geschichte

Die moderne Physik beruht auf den Erkenntnissen von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern in ihrer jeweiligen Zeit. Aber lies selbst!

Mehr erfahren Mehr erfahren

Downloads

Lade unsere Simulationen, Animationen und interaktive Tafelbilder für den Unterricht oder eine Präsentation kostenfrei herunter.

Mehr erfahren Mehr erfahren

Weblinks

Von Cern und NASA über Unterrichtsmaterial bis Videos, unsere Auswahl aus dem World Wide Web. Viel Spaß beim Stöbern.

Mehr erfahren Mehr erfahren