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Aufbau der Materie

1. Elementarteilchen

1.1 Teilchenfamilien

Sieht man von der noch nicht ausgearbeiteten und oder gar experimentell abgesicherten Stringtheorie ab und folgt dem in den 60er Jahren entwickelten  "Standardmodell der Teilchenphysik", dann besteht die stabile Materie unseres Alltags aus nur 4 Elementarteilchen, die keine innere Struktur besitzen (Familie 1):

· Zwei Typen von Quarks,
· dem Elektron
· und dem (e-)Neutrino.

Quarks haben Masse und elektrische Ladung (+2/3 resp. -1/3 ). Elektronen haben eine wesentlich kleinere  Masse und per Definition die Ladung 1.  Die Neutrinos haben eine außerordentlich geringe Masse, sie reagieren fast nicht mit anderer Materie. Sie fliegen in großer Zahl durch den Weltraum, durchdringen ungebremst alles und jeden.

Aus unbekannten Gründen gibt es zwei weitere Teilchenfamilien, deren Mitglieder in ihren Eigenschaften der ersten Familie ähneln, aber jeweils weit höhere Massen besitzen. Diese Teilchen sind instabil, sie wandeln sich in winzigen Sekundenbruchteilen in Teilchen der ersten Familie. Man findet sie in der energiereichen kosmischen Strahlung und bei Laborversuchen mit Teilchenbeschleunigern.

Darüber hinaus gibt es zu jedem Teilchen ein "Antiteilchen". Beispiel: Ein Anti-Elektron (=Positron) hat die gleiche Masse, aber positive Ladung. In der freien Natur wurden Antiteilchen bisher nicht gefunden, im Labor können sie hergestellt und maximal für ein paar Minuten in magnetischen Käfigen erhalten werden (Rekord 2011 am CERN: 319 Anti-Wasserstoffatome 17 Minuten). Wenn ein Teilchen und sein Antiteilchen zusammentreffen, so kommt es zur Auslöschung ("Annihilation"), entsprechend E=m x c2 wird dabei Energie frei.

1.2 Spin

Bei der theoretischen Behandlung der Vorgänge im Atom spielt der "Spin" eine große Rolle, eine quantenmechanische Eigenschaft mit Ähnlichkeit zum Drehimpuls der Mechanik. Jedes Teilchen hat einen Spin von unveränderlicher Größe die, auf das Plancksche Wirkungsquantum/2pi bezogen, nur die Werte 0, ½ oder 1 sein kann. Die Familien der Quarks, Elektronen und Neutrinos haben stets den Spin ½ , sie werden als "Fermionen" bezeichnet. Gluonen, Photonen und W- und Z-Teilchen haben den Spin 1, sie werden "Bosonen" genannt (nächster Abschnitt). Das Higgsteilchen (siehe unten) allein hat den Spin 0 .

1.3 Kräfte

Es wirken in der Natur vier Grundkräfte:

· Die Starke Kraft
· Die Elektromagnetische Kraft
· Die Schwache Kernkraft
· Die Schwerkraft

Die Kräfte werden durch den Austausch von Wechselwirkungsteilchen oder "Boso-nen"/"Eichbosonen" vermittelt.

Die starke Kraft wirkt nur auf Quarks. Sie hält den Atomkern zusammen. Insbesondere bindet sie die Quarks in den Protonen und den Neutronen. Acht verschiedene masselose Gluonen besorgen die Wechselwirkung zwischen den sechs Arten von Quarks. Dabei folgen sie in der theoretischen Analyse Spielregeln, die an die Mischung von farbigem Licht erinnern, wobei nach außen hin immer Weiß erscheinen muss. Man erkennt den Quarks wie den Gluonen "Farbladungen" (Colour) zu.
Die Starke Kraft wirkt zwar nur im Atomkern, wächst aber mit der Entfernung zwischen zwei Elementarteilchen. Es hat sich als unmöglich erwiesen, ein einzelnes Quark herauszulösen sobald man dafür ausreichend Energie aufwendet, erscheint ein gewöhnliches Meson (siehe dazu Abschnitt2).

Die Elektromagnetische Kraft ist, entsprechend ihrem Namen, für alle Erscheinungen des Elektromagnetismus verantwortlich. Sie wirkt zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Sie hält Atomkern und Atomhülle zusammen und vermittelt die chemischen Bindungen beim Aufbau von Molekülen. Die Elektromagnetische Kraft hat unendliche Reichweite, fällt aber mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Welt insgesamt ist  elektrisch streng neutral.

Vermittelt wird Elektromagnetische Kraft durch masselose Photonen, die ja auch als Lichtquanten bekannt sind, die kleinsten Energiepakete elektromagnetischer Strahlung.

Die Schwache Kraft wirkt nur auf sehr kurze Distanzen (Kleiner als Atomkernradius). Sie ist keine anziehende oder abstoßende Kraft, sondern wandelt Teilchen in einander um. Sie wird vermittelt durch drei Typen von sehr massereichen (kurzlebigen, virtuellen) Wechselwirkungsteilchen (W+ - W- - Z0). Diese lassen sich mit Teilchenbeschleunigern herstellen, erweisen sich aber dann als extrem kurzlebig. Die Schwache Kraft bewirkt den radioaktiven Beta-Zerfall und ist entscheidend bei den Kernreaktionen in den Sternen beteiligt (Fusion von Wasserstoff zu Helium).

Die Schwerkraft (Gravitation) wirkt auf alle Teilchen in gleicher Art. Im Verhältnis zu den anderen Kräften ist sie sehr klein.  Im atomaren Bereich spielt sie keine Rolle. Ihre Stärke nimmt mit dem Quadrat des Abstandes ab. Aber ihre Reichweite ist unbegrenzt, sie wirkt additiv und beherrscht damit die Vorgänge im Großen.  Die Schwerkraft  hält die kosmischen Körper zusammen: Planeten, Sterne, Galaxien. Sie wirkt bremsend auf die Expansion des Universums.

1.4 Theorien

Die "Quantenelektrodynamik" (QED), entwickelt in den 40er Jahren von Richard Feynman, Julian Schwinger und Shinichiro Tomonaga, ist eine relativistische Quantenfeldtheorie zur Beschreibung elektrodynamischer Vorgänge. Zur Veranschaulichung werden die "Feynman-Diagramme" benutzt, welche die Interaktion zwischen Quantenobjekten nachbilden (im Beispiel: Begegnung zweier Elektronen, Wechselwirkung durch Photonen als Übermittler der elektromagnetischen Kraft).

Die bewusst analog aufgebaute Quantenchromodynamik (QCD), entwickelt von Murr Gell-Mann, Harald Fritzsch und Heinrich Leutwyler in den 60er/70er Jahren, behandelt die Vorgänge im Atomkern. Sie beschreibt das Zusammenspiel von Quarks und Gluonen. An die Stelle der elektrischen Ladung tritt die "Farbladung". Sheldon Glashow, Abdus Salam und Steven Weinberg entwickelten in der 60/70er Jahren eine Theorie zur Vereinheitlichung der Elektromagnetischen und der Schwachen Wechselwirkung.
 

1.5 Ein Sonderfall: Die Masse

Das Standardmodell der Atomphysik enthielt zunächst keine Aussage zu den Massen der Teilchen. !965 schlug Peter Higgs vor, das Problem durch Annahme eines alles durchdringenden, im ganzen Universum gleichen Feldes zu lösen.

Dieses Feld verleiht den Teilchen, die sich darin bewegen, ihre Masse. Die Übertragung erfolgt durch ein Wechselwirkungsteilchen, bekannt als "Higgsteilchen", bisweilen sogar "Gottesteilchen" genannt. Erst im Frühjahr 2012 konnte es mit hoher Wahrscheinlichkeit - durch Versuche am CERN nachgewiesen werden.

Das Higgsfeld wird häufig mit einer zähen Flüssigkeit verglichen durch die sich die Elementarteilchen bewegen , aber dieser Vergleich ist schief: Eine zähe Flüssigkeit bremst die Geschwindigkeit eines Körpers, während sich das Higgsfeld gerade jeder Bewegungsänderung widersetzt ("Träge Masse").

Die Masse eines Protons oder Neutrons stammt nur zu 5% aus der Masse der Quarks selbst, der Rest stammt aus der Bewegungs- und Bindungsenergie zwischen Quarks und Gluonen.
 

2.    Zusammengesetzte Teilchen

2.1 Hadronen

Quarks treten in der Natur nie alleine in Erscheinung, sondern als Triplets (Protonen, Neutronen) oder Duplets (Mesonen). Solche aus Quarks gebildeten  Teilchen werden als "Hadronen" bezeichnet

Zu den Hadronen gehören die "Baryonen" Proton und Neutron:
· Zwei Up-Quarks mit der elektrischen Ladung von je +2/3 und ein Downquark mit der Ladung 1/3 bilden ein Proton mit der Ladung +1.
· Ein Up-Quark mit der elektrischen Ladung +2/3 und zwei Down-Quarks mit der Ladung von je 1/3 ergeben ein elektrisch ungeladenes Neutron.

Mit anderen Quarks können kurzlebige, schwerere Baryonen gebildet werden, sie werden als "Hyperonen" bezeichnet.

Protonen und Neutronen finden sich in der gewöhnlichen Materie. Ihnen steht  Anti-Materie gegenüber, die aus Anti-Elementarteilchen gebildet werden.

Als eine Kombination von je einem Quark und einem Antiquark erweisen sich die instabilen "Mesonen", die sich in der Kosmischen Strahlung finden und bei Experimenten mit Teilchenbeschleunigern entstehen.
 
 

2.2  Atome

Häufig bezeichnen wir Atome als die kleinsten Bausteine der Materie. Sie bestehen aus einem Kern, der sich aus Protonen und Neutronen zusammensetzt, und einer ihn umgebenden "Wolke" von Elektronen. Die positive elektrische Ladung der Protonen im Kern und die negative Ladung der Elektronen in der Hülle ziehen sich an und besorgen den Zusammenhalt.

Die Elektronen der Hülle bewegen sich in unterschiedlichen Abständen zum Kern (7 "Schalen"), denen unterschiedliche Energieniveaus entsprechen. Für ihren Aufenthaltsort kann nur eine Wahrscheinlichkeitsfunktion angegeben werden. Jede Schale kann nur eine bestimmte Anzahl Elektronen aufnehmen. Durch Energiezufuhr kann ein Elektron auf ein höhere Schale gehoben werden. Beim Rücksprung in die hinterlassene "Lücke" wird die zuvor aufgenommene Energie als Lichtquant als Photon abgestrahlt.

2.3 Chemische Elemente

Entscheidend für die Eigenschaften eines "Elementes ist die Zahl der Protonen im Kern, sie wird als "Kernladungszahl" (in der Chemie: "Ordnungszahl") bezeichnet. Die Zahl der Protonen im Kern entscheidet über die Besetzung der Schalen (gleiche Zahl an Elektronen!) und damit über die Bindungsmöglichkeiten des Atoms, bestimmt daher stark die chemischen Eigenschaften.

Mit der Zahl der Protonen wächst die Anzahl der Neutronen (bis zum etwa 1,5 fachen); aus der Summe der Anzahlen dieser beiden Hadronen (oder "Nukleonen") ergibt sich die "Massenzahl", aus der Summe ihrer Massen die "Atommasse" (früher "Atomgewicht ").  Bei gegebener Ordnungszahl kann die Zahl der Neutronen und damit die Atommasse leicht variieren ("Isotope"). Ist die Zahl der Protonen über 82, oder ist das Verhältnis Protonen zu Neutronen ungünstig, ist der Kern instabil, er wandelt sich "radioaktiv" in einen stabilen Kern um. Der schwerste stabile Kern ist das Blei-Isotop 208Pb mit 82 Protonen und 126 Neutronen. Der schwerste natürliche Kern ist der des Urans mit 92 Protonen und 146 Neutronen. Plutonium wird nur in kleinsten Spuren in sehr alten Gesteinen gefunden; in Kernreaktoren entsteht es in größeren Mengen. Alle anderen "Transurane" entstehen in Kernreaktoren oder werden unter Einsatz eines Teilchenbeschleunigers künstlich hergestellt. Sie alle sind radioaktiv und zerfallen.

Die Elemente können nach Mendelejew und Meyer in einem "Periodischen System" nach zunehmender Ordnungszahl so angeordnet werden, dass untereinanderstehende Elemente ähnliche Eigenschaften haben.

Periodisches System der Elemente






Der Hintergrund: Diese Stoffe haben die gleiche Zahl Elektronen auf ihrer äußersten Schale (entspricht der Nummer der Gruppe). Auffällig sind die reaktionsunwilligen "Edelgase": Wenn die äußerste Schale mit acht Elektronen besetzt ist, will das Atom keine Verbindung mit einem anderen eingehen. Die Nummer der Periode zeigt an, welche Schale als äußerste befüllt wird. Im "Übergangsbereich" werden zuvor teilweise frei gelassene Schalen über bis zu ihrem Maximum befüllt.

In Sternen werden, ausgehend vom Wasserstoff (Kern: 1 Proton), in komplexen Prozessen schwerere Elemente aufgebaut,  über das Helium bis hin zum Eisen, wobei ein kleiner Teil der Masse in Energie umgewandelt wird gemäß E = m x c2 (Fusionsprozesse in den Sternen, nachvollzogen in der Wasserstoffbombe). Elemente schwerer als Eisen verlangen zu ihrem Aufbau Zufuhr von Energie (Prozesse in Supernova-Explosionen). Durch Kernspaltung kann solche Energie wieder freigesetzt werden (Atomreaktoren, Atombombe).

2.4  Moleküle

Moleküle entstehen durch Bindung von zwei oder mehr Atomen, gewöhnlich unterschiedlicher Elemente (Ausnahmen z.B. O2= molekularer Sauerstoff, O3 = Ozon). Grundlage der Bindung sind elektrostatische Wechselwirkungen oder Wechselwirkungen der Elektronen der beteiligten  Atome. Die Atome streben dabei nach einem Zustand, in dem sie auf ihrer äußersten Schale acht Elektronen haben.

Bei der "Ionenbindung" gibt ein Atom ein Elektron ab (wird zum positiv geladenen "Ion", das andere nimmt eines auf (wird zum negativ geladenen Ion) die elektrostatische Anziehung hält die Atome zusammen. Ionenbindung herrscht auch in den Kristallen von Salzen vor.
Bei der "Atombindung" benutzen zwei Atome ein oder zwei Elektronenpaare gemeinsam auf ihrer jeweils äußersten Schale.
Bei der "Metallbindung" geben die Atome ein Elektron frei. Es entstehen positiv geladene Ionen, die durch die Wolke der freien Elektronen zusammengehalten werden. Metallbindung ist typisch auch für metallische Kristalle: Die Wolke frei verschieblicher Elektronen sorgt für die hohe elektrische Leitfähigkeit.

Dank der mit vier Elektronen nur zur Hälfte gefüllten zweiten Elektronenschale bietet das Kohlenstoffatom die größte Vielfalt chemischer Verbindungen und bildet die molekulare Grundlage des irdischen Lebens.

Makromoleküle können aus mehreren 100 000 Atomen oder Atomgruppen bestehen. Die meisten davon finden sich in der Kohlenstoffchemie: natürlich wie in der Seide und in dem Erbmerkmalträger DNA, synthetisch in PVC, Nylon und Silikonen.


 
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