Baryonen

Elementarteilchen bzw. Fundamentalteilchen

Elementarteilchen sind im Standardmodell der Teilchenphysik die kleinsten bekannten Bauteile der Materie. Sie haben keine Ausdehnung, sind also punktförmig bzw. Null-dimensional. In der Stringtheorie werden sie durch „Strings“ ersetzt, die man sich als eindimensionale vibrierende Objekte vorstellen kann.

Die sogenannte „gewöhnliche Materie“ besteht aus 2 Teilchenarten

• 12 materie-bildende Fermionen
• 7(11) Austauschteilchen, den Bosonen

D.h. jedes Elementarteilchen ist entweder ein Fermion, dann hat es den Spin 1/2 oder ein Boson, dann hat es einen ganzzahligen Spin (0, 1 oder 2).

12 Fermionen

Die "gewöhnliche Materie" besteht neben den Bosonen noch aus 12 Fermionen. Sie alle haben einen halbzahligen Spin, das ist der quantisierte Eigendrehimpuls, einer der sogenannten Quantenzustände. Fermionen unterliegen dem paulischen Ausschlussprinzip, demzufolge zwei Fermionen am gleichen Ort, also bei sich überlagernden Wellenfunktionen, nicht den identen Quantenzustand annehmen können.

• 6 Leptonen
• 6 Quarks

Lediglich die beiden leichtesten Leptonen „Elektron“ und „Elektron-Neutrino“ und die beiden leichtesten Quarks „up“ und „down“ sind stabil. D.h. es gibt 6+6=12 Materieteilchen, nur 4 davon sind stabil!

6 Leptonen

Die "gewöhnliche Materie" besteht aus 12 Fermionen. 6 davon sind die Leptonen. Sie sind einzelne, nicht weiter zerlegbare Elementarteilchen.

• Elektron + Elektron-Neutrino,
• Myon + Myon-Neutrino, Die Masse der Myonen ist ca. 200 mal so groß wie die des Elektrons
• Tauon + Tauon-Neutrino), Die Masse der Tauonen ist ca. 1700 mal so groß wie die des Elektrons

• Das Elektron, Myon, Tauon und die Neutrinos unterliegen vor allem der schwachen Wechselwirkung, die für ihren Zerfall verantwortlich ist und der Gravitation, da sie massebehaftet sind. Sie unterliegen aber nicht der starken Wechselwirkung.
• Der elektromagnetischen Wechselwirkung unterliegen das Elektron, Myon und  Tauon, da sie geladen sind, nicht jedoch die ungeladenen Neutrinos.

6 Quarks

Die "gewöhnliche Materie" besteht aus 12 Fermionen. 6 davon sind die Quarks. Eigentlich sind es 3 Quarkpaare, die je eine Eigenschaft - „Flavor“ genannt - haben:

• Up + Down;
• Charm + Strange;
• Top + Bottom;

• Quarks tragen die Ladung der starken Wechselwirkung, die sogenannte Farbladung („rot“, „grün“, „blau“) und Bruchteile der elektrischen Elementarladung (2/3) e oder (1/3) e. Sie sind in den Hadronen so kombiniert, dass diese nach außen eine ganzzahlige elektrische Ladung tragen.
• Quarks unterliegen vor allem der starken Wechselwirkung. Sie können aber zufolge der schwachen Wechselwirkung  in andere Quarks zerfallen. Quarks unterliegen der elektromagnetischen Wechselwirkung sowie der Gravitation, da sie massebehaftet sind. Somit unterliegen Quarks allen 4. Wechselwirkung.

Hadronen aus 2, 3 oder 4 Quarks

Eine Zusammensetzung von mehreren Quarks nennt man Hadron.

Die 6 Quarks können nicht einzeln existieren, sondern nur in Zusammensetzungen von mehreren (2, 3, 5) Quarks, einem Effekt den man Confinement („Gefangenschaft“) nennt. Versucht man Hadronen durch Zufuhr von hoher Energie zu trennen, entsteht spontan ein Quark-Antiquark Paar, entsprechend der Äquivalenz von Masse und Energie (E=mc²).

Hadronen sind grundsätzlich instabil,

• mit Ausnahme des Protons (bestehend aus 2 Up Quarks und 1 Down Quark), von dem noch kein Zerfall nachgewiesen ist (Einige Theorien leiten eine Halbwertszeit von 10³⁶ Jahren her) .
• Freie Neutronen, die also nicht in einem Atomkern gebunden sind, (bestehend aus 2 Down Quarks und 1 Up Quark), zerfallen im Betazerfall innerhalb von ca. 15 Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein Antineutrino, sowie in kinetische Energie.

Hadronen setzen sich aus 2, 3 oder 5 Quarks zusammen

• Mesonen: Hadron aus 2 Quarks
  1 Quark + 1 Antiquark, ganzzahliger Spin, Farbe und Antifarbe -> farbneutral
• Baryonen: Hadron aus 3 Quarks:
  halbzahliger Spin, 3 verschiedene Farben-> farbneutral. Dazu gehören das Proton und das Neutron, die zusammen den Atomkern bilden.
• Pentaquarks: Hadron aus 5 Quarks:
  4 Quarks + 1 Antiquark, sie wurden erst 2015 entdeckt

7 (11) Bosonen (Austauschteilchen)

Die "gewöhnliche Materie" besteht neben den Fermionen noch aus 7 (11) Bosonen. Die 5 Vektorbosnen als Vermittler der schwachen, der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung sind nachgewiesen. Das Tensorboson der Gravitation ist noch nicht nachgewiesen. Von den 5 erwarteten Skalarbosonen, gemäß dem Higgs'schen Mechanismus, ist erst das 1. von 5 Higgsbosonen nachgewiesen

Die Bosonen vermitteln die Kräfte der 4 Wechselwirkungen und den Higgs-Mechanismus zwischen den Fermionen und den Feldern.

Die mit den Wechselwirkungen verbundenen Kräfte werden nicht „sofort“ übertragen, sondern unterliegen auch den Aussagen der Relativitätstheorie und werden mit Lichtgeschwindigkeit oder langsamer übertragen.

Die Bosonen werden nach ihrem Spin, der im Unterschied zu den Fermionen, ganzzahlig ist, eingeteilt in

• Spin = 0: 1 (5) Skalarboson h⁰ Higg-Boson(en) Das / die Higgs-Boson(en) hat / haben als Skalarboson(en) den Spin= 0, also keinen Eigendrehimpuls.
• Spin = 1: 1+3+1=5 Vektor oder Eich-Bosonen
  
  • Gluon - 8 Träger der starken Wechselwirkung - Eichgruppe SU(3)
  • W⁺, W^- und Z⁰ Bosonen - 3 Träger der schwachen Wechselwirkung - Eichgruppe SU(2)
  • Photon - 1 Träger der elektromagnetischen Wechselwirkung - Eichgruppe U(1)
• Spin = 2: 1 Tensorboson (hypothetische Graviton)

Physik des Atomkerns

Die Kernphysik beschreibt das Verhalten der Kernteilchen, also der Protonen und der Neutronen, bwz. der Quarks, aus denen sich die Nukleonen zusammensetzen.

Aufbau des Atomkerns

Jeder Atomkern besteht aus Protonen p und Neutronen n, die man zusammen als Baryonen bezeichnet. Baryonen haben eine innere Struktur (d.h. sie bestehen jeweils aus 3 Quarks, erst diese sind fundamental). Protonen und Neutronen sind daher - im Unterschied zu den Elektronen der Hülle - keine Elementarteilchen.

u = Atomare Masseneinheit

Nukleonenzahl oder Massenzahl A

Unter der Nukleonenzahl A, auch Massenzahl genannt, versteht man die Summe der Protonen Z und der Neutronen N im Atomkern.

A = Z + N

Die Bindungsenergie pro Nukleon hat ihr Maximum bei A=56. Das entspricht dem Element Eisen, welches 30 Neutronen und 26 Protonen hat.

Protonenzahl oder Ordnungszahl Z

Ein Element hat immer eine fixe Anzahl Z an Protonen, kann aber unterschiedlich viele Neutronen N - und somit unterschiedliche Massenzahlen A=Z+N haben - man spricht dann von Isotopen.

\({}_Z^AElement = Element\)

Massendefekt

Die Masse eines Atomkerns ist um den Massendefekt geringer, als die Summe der Masse seiner Protonen und Neutronen, da zu deren Bindung im Kern eine Bindungsenergie erforderlich ist. Die entsprechende Wechselwirkung ist die starke Wechselwirkung, die eine Reichweite von ca. 3.10^-15 m hat..

\(\Delta m = \left( {Z \cdot {m_p} + N \cdot {m_n}} \right) - {m_{Kern}}\)

Fusion von Atomkernen

Bei der Fusion von Atomkernen die zusammen eine kleinere Massenzahl als Eisen (bzw. Nickel-62) haben, wird Bindungsenergie frei, es handelt sich also um einen exothermen Prozess. Bei Verbindung zu schwereren Kernen müsste man Energie aufwenden. Das ist der Grund, warum der Fusionsprozess im Inneren von Sonnen, der sogenannten Nuklearsynthese, von Wasserstoff über Deuterium, Helium, Lithium, Beryllium, Kohlenstoff und Sauerstoff bis zum Eisen bzw. Nickel verläuft. Schwerere Elemente (z.B. Gold) werden erst im kurzen Augenblick der Explosion von Sonnen gebildet, bei denen die Hälfte der Masse ins Universum geschleudert wird, während die andere Hälfte der Sonnenmasse kollabiert.

Kernbindungsenergie

Die Kernbindungsenergie ist jene Energie die frei wird, wenn sich Z freie Protonen und N freie Neutronen zu einem Kern verbinden.

\({E_B} = \Delta m \cdot {c^2} = \left[ {\left( {Z \cdot {m_p} + N \cdot {m_n}} \right) - {m_{Kern}}} \right] \cdot {c^2}\)

Bei der Kernfusion verbinden sich zwei leichte Atomkerne zu einem schwereren Atomkern. Wenn 2 leichte Atomkerne zu einem schwereren Atomkern unter extremen Druck und unter extremer Temperatur (im Inneren der Sonne, im Fusionsreaktor) verschmelzen wird die Kernbindungsenergie frei. Dieser exotherme Prozess hat bei den Elementen Eisen bzw. Nickel sein Ende. D.h. schwerere Elemente (wie Gold) werden in Sonnen nicht "gebrannt". Sie entstehen erst, wenn die Sonne explodiert.

Ein Beispiel: 1 Deuteriumkern und 1 Tritiumkern verschmelzen zu 1 Heliumkern und 1 freien Neutron unter Freisetzung von 3,5+14,1 MeV Energie.

\({}^2H + {}^3H \to {}^4He + 3,5\,\,MeV + n + 14,1\,\,MeV\)

Fission von Atomkernen

Bei der Fission (Spaltung) von Atomkernen, wird ab einer Massenzahl von über 120 Bindungsenergie frei, wenn ein schwerer Kern in 2 leichtere Kerne gespaltet wird. Die Kernspaltung verläuft i.A. nicht symmetrisch, d.h. die Spaltprodukte haben unterschiedliche Massenzahl. Der Prozess der Kernspaltung wird durch Neutronenbeschuss ausgelöst, wobei das Neutron eingefangen wird. Bei der Kernspaltung entstehen aber wieder freie Neutronen, die erneut eingefangen werden können. Das Verhältniss von eingefangenen zu abgegebenen Neutronen entscheidet, ob der Prozess der Kernspaltung erlischt, konstant verläuft oder ob eine Kettenreaktion in Gang gesetzt wird. Spaltbares Uran ²³⁵U kommt im natürlichen Uran nur zu 0,72% vor, der Rest ist nicht spaltbares ²³⁸U.

• In Schwerwasser- und Graphitmoderierten Atomreaktoren kann Natururan zum Einsatz kommen.
• Für Leichtwasserreaktoren (Druck- oder Siedewasser) erfolgt eine ²³⁵U Anreicherung auf 3% .. 5%. Dieser Reaktortyp erzeugt ca. 90% der weltweiten Kernenergie.
• Für Atombomben erfolgt eine ²³⁵U Anreicherung auf über 85%.

Kernspaltungsenergie

Die bei der Kernspaltung eines schweren Atomkerns in mehrere leichte Atomkerne freigesetzte Energie entspricht der Differenz der Bindungsenergien der beteiligten Kerne.

\({}_{92}^{235}U + {}_0^1n \to {}_{36}^{89}Kr + {}_{56}^{144}Ba + 3 \cdot {}_0^1n + 210\,\,MeV\)