Kern-/Teilchenphysik

Teilchenphysik

Die vier fundamentalen Wechselwirkungen

  • Was ist der Unterschied zwischen Teilchen …
  • … und ihren Antiteilchen?
  • Welche fundamentalen Wechselwirkungen kennen wir?
  • Wie sieht das Standardmodell der Elementarteilchen aus?

Die vier fundamentalen Wechselwirkungen

Was verstehen wir unter dem Begriff Wechselwirkung?

Physikalische Phänomene erklärt das Standardmodell durch Wechselwirkungen. Nach dem aktuellen Stand der Forschung kennen wir genau vier verschiedene Wechselwirkungen: Die starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Gravitation. Mit diesen vier fundamentalen Wechselwirkungen könnten wir alle Phänomene und alle Prozesse, die wir bisher auf der Erde oder im Weltall beobachtet haben, beschreiben.

Über die Gravitation wechselwirkt zum Beispiel ein Apfel mit der Erde, Apfel und Erde treten in Wechselwirkung. Beim Betazerfall(1) wandeln sich Teilchen ineinander um, auch das passiert, weil Teilchen miteinander wechselwirken, in diesem Fall über die sogenannte schwache Wechselwirkung. Eigentlich stoßen sich die elektrisch positiv geladenen Protonen im Atomkern als Folge der elektromagnetischen Wechselwirkung ab. Dass der Atomkern dennoch zusammenhält, liegt an der starken Wechselwirkung, die u. a. für Anziehungskräfte zwischen den Kernbausteinen verantwortlich ist. Eine Wechselwirkung kann man unter anderem durch Kräfte charakterisieren. Keinesfalls darf man aber die Begriffe Wechselwirkung und Kraft gleichsetzen, denn der Begriff der Wechselwirkung ist viel allgemeiner. Im Folgenden verwenden wir daher nur noch den Begriff Wechselwirkung.

Kennt man die vier fundamentalen Wechselwirkungen, dann kann man die lange Liste an Kräften und physikalischen Phänomenen, die man im Laufe des Physikunterrichts kennenlernt, erheblich verkürzen. Das ist ganz im Sinne des Prinzips der Vereinfachung.

Die Theorie des  Standardmodells der Teilchenphysik beschreibt drei der vier Wechselwirkungen. (die Gravitation spielt für einzelne Teilchen wegen ihrer kleinen Massen keine Rolle). Die wichtige Erkenntnis ist dabei, dass zu jeder Wechselwirkung eine eigene Ladung gehört, die sie generiert. Besitzt ein Teilchen diese Ladung, so unterliegt es der zugehörigen Wechselwirkung, ist die Ladung Null, so unterliegt es der jeweiligen Wechselwirkung nicht. Die Grundidee des Standardmodells ist also: Wechselwirkungen werden von Ladungen generiert, deren Wert angibt, wie sensitiv ein Teilchen für diese bestimmte Wechselwirkung ist: Ein zweifach elektrisch positiv geladener Heliumkern wird von einem Elektron z.B. doppelt so stark elektrisch angezogen, wie ein einfach elektrisch positiv geladenes Proton. Ein Neutron wird von einem Elektron elektrisch gar nicht angezogen, weil das Neutron keine Elektrische Ladung trägt, allerdings tragen beide eine schwache Ladung, so dass zwischen ihnen schwache Wechselwirkung stattfinden kann.

(1) Beim "Betazerfall" handelt es sich in Wirklichkeit nicht um einen Zerfall von Teilchen, sondern um eine Umwandlung von Teilchen. Man sollte also besser von "Betaumwandlung" sprechen. Aus historischen Gründen spricht man aber vom Betazerfall, wir werden uns an diese Sprechweise halten.

Übersicht über die fundamentalen Wechselwirkungen

In der folgenden Tabelle sind die vier fundamentalen Wechselwirkungen übersichtlich zusammengestellt. Wenn du mehr erfahren möchtest, so klicke auf die verschiedenen Links.

Wechselwirkung

starke Wechselwirkung

schwache Wechselwirkung

elektromagnetische Wechselwirkung

Gravitation

Beispiele für Wirkung Zusammenhalt des Protons Betazerfall: Ein Proton wandelt sich in ein Neutron um (oder umgekehrt).
Kernfusion: In der Sonne verschmelzen vier Protonen zu einem Heliumkern.
Magnetismus, Licht, ...; Chemische Bindungen; Photoeffekt Anziehung zwischen Massen: Schwerkraft, Umlauf der Planeten um die Sonne
Ladung Starke Ladung (Farbladung) Schwache Ladung Elektrische Ladung  
Botenteilchen Gluonen  \({\rm{W}}^{+}\), \({\rm{W}}^{-}\), \(\rm{Z}\)  Photon  
Reichweite \({2 \cdot 10^{ - 15}}\,{\rm{m}}\)
(Protonendurchmesser)
\({2 \cdot 10^{ - 18}}\,{\rm{m}}\)
(\(\frac{1}{{1000}}\) Protonendurchmesser)
unbegrenzt unbegrenzt

Kopplungsparameter

\[\alpha _{\rm{S}} \approx \frac{1}{{{2}}},.,\frac{1}{{{10}}}\] \[{\alpha _{\rm{W}}} \approx \frac{1}{30}\] \[{\alpha _{\rm{em}}} \approx \frac{1}{137}\] \[\alpha _{\rm{grav}} \approx \frac{1}{{{{10}^{45}}}},.,\frac{1}{{{{10}^{38}}}}\]
Verständnisaufgabe

Alle mechanischen Kräfte lassen sich auf fundamentale Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Materie zurückführen. Erläutere, welche Wechselwirkung dafür verantwortlich ist, dass wir z.B. nicht durch Wände gehen können.

Lösung

Wenn wir uns gegen eine Wand lehnen, dann stoßen auf der Ebene der Elementarteilchen Atomhüllen aneinander. Die elektromagnetische Wechselwirkung verhindert, dass diese sich durchdringen, denn die jeweils negativ geladenen Elektronen in den Atomhüllen stoßen sich ab. Hinzu kommt das Pauli-Prinzip, das besagt, dass sich zwei Elektronen innerhalb eines Atoms nicht im gleichen Zustand befinden können. Deswegen können sich gefüllte Orbitale nicht überlappen und wir können nicht durch Wände gehen.

Erläutere, welche der vier fundamentalen Wechselwirkungen wir direkt im Alltag erfahren und welche nicht und begründe deine Ansicht.

Lösung

Die Reichweiten der Gravitation und der elektromagnetischen Wechselwirkung sind prinzipiell unbegrenzt. Daher spielen sie für makroskopische Objekte eine Rolle, so dass wir sie direkt erfahren. Die starke und die schwache Wechselwirkung erfahren wir nicht direkt, da ihre Reichweiten zu gering sind. Jedoch spielen sie trotzdem eine lebenswichtige Rolle: Die starke Wechselwirkung sorgt dafür, dass Atomkerne stabil sein können; die schwache Wechselwirkung ermöglicht unter anderem die Kernfusion, mit der die Sonne ihre Energie erzeugt – ohne sie gäbe es kein Leben auf der Erde.

Druckversion