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Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks

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Die Autor*innen
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Wolfgang Tews
Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks
lernst du in der 11. Klasse - 13. Klasse

Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Standardmodell – Ordnungssystem für Quarks kannst du es wiederholen und üben.
  • Tipps

    Mit den Elementarteilchen können wir den Aufbau der Materie erklären.

    Man unterscheidet Elementarteilchen unter anderem nach ihrer Masse.

    Lösung

    Mit den Elementarteilchen können wir den Aufbau der Materie erklären.

    Dabei unterscheidet man diese nach unterschiedlichen Kriterien wie etwa ihrer Masse oder Ladung.

    So ergibt sich ein Modell, in welches auch neue Teilchen integriert werden können.

    Eine wichtige Unterscheidung ist dabei die nach der Masse der Teilchen.

    Die leichtesten Elementarteilchen werden zu den Leptonen gezählt. Ein Vertreter der Leptonen ist etwa das Elektron.

    Die Klasse der mittelschweren Elementarteilchen bezeichnet man als Mesonen.

    Die schwersten Teilchen werden als Baryonen bezeichnet.

    Protonen hingegen zählen nicht zu den Elementarteilchen, denn ein Proton besteht aus drei Quarks, also drei Elementarteilchen.

    Ähnliches gilt für das Neutron. Auch dieses besteht aus mehreren Elementarteilchen, kann also nicht zu den kleinsten Teilchen gezählt werden.

  • Tipps

    Wenn nun aber jedes Teilchen ein Antiteilchen besitzt, und Teilchen und Antiteilchen sich gegenseitig aufheben, wie kommt es dann, dass das Universum nicht leer ist?

    Treffen ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, läuft ein Elementarprozess ab.

    Lösung

    Treffen ein Teilchen und ein Antiteilchen aufeinander, läuft ein Elementarprozess ab.

    Dabei neutralisieren sich Teilchen und Antiteilchen, das heißt, die an dem Prozess teilnehmenden Teilchen werden bei dem Prozess zerstört.

    Zusätzlich werden bei Interaktion der Teilchen Austauschteilchen frei.

    Diese entfernen sich rechtwinklig vom Ort des Stoßen und können zum Beispiel Photonen sein.

    Wenn nun aber jedes Teilchen ein Antiteilchen besitzt und Teilchen und Antiteilchen sich gegenseitig aufheben, wie kommt es dann, dass das Universum nicht leer ist?

    Eine umfassende Antwort auf die Frage zu finden, ist Aufgabe des Standardmodell und der Physik der Elementarteilchen.

    Nicht zuletzt aus diesem Grund sind dieses vielversprechende Teilbereiche der Physik und sie werden bei der Vergabe des Nobelpreises häufig berücksichtigt.

  • Tipps

    $Teilchen + Antiteilchen \to Energie$

    Lösung

    1928 postulierte Paul Dirac die Existenz des Positrons bei seiner Arbeit an der Quantenelektrodynamik.

    Dabei stellte der sich das Positron als ein positiv geladenes Elektron vor.

    Diese These wurde 1932 durch Carl Anderson belegt, denn er wies das Positron in der Höhenstrahlung nach.

    Man traf die Verallgemeinerung : Zu jedem vorhandenen Teilchen existiert ein Antiteilchen.

    Nun musste noch festgestellt werden, wie sich das Antiteilchen im Gegensatz zum gewöhnlichen Teilchen verhalten sollte und wie es zu charakterisieren ist.

  • Tipps

    Im Standardmodell wird nach Masse und Generation der Teilchen sortiert.

    Leptonen sind leichter als Quarks.

    Lösung

    Mittlerweile ist eine Vielzahl von Elementarteilchen bekannt. Um eine Ordnung und Systematisierung zu erreichen, wurde das Standardmodell festgelegt.

    Darin werden Teilchen nach ihrer Masse sortiert und in drei Generationen angegeben.

    Die schwereren Quarks bilden eine Obergruppe. Eine zweite bilden die leichteren Leptonen.

    Zu den Quarks zählen etwa das up-Quark, das down-Quark, das strange-Quark oder das charme-Quark. Eine genauere Unterscheidung weiterer Eigenschaften dieser Quarks erlaubt eine Einteilung in die drei Teilchengenerationen.

    Zu den Leptonen zählen die leichteren Teilchen, die häufig als Austauschteilchen fungieren.

    Wir zählen etwa die Elektronen, Myonen oder Neutrinos zu den Leptonen.

    In Analogie zu den Quarks werden auch die Leptonen weiter in drei Teilchengenerationen unterteilt.

    Der Ausbau des Standardmodell und das damit verbundene Entdecken weiterer Elementarteilchen ist ein derzeit sehr spannender Teilbereich der Physik, in dem viele Fortschritte gemacht werden können und zahlreiche Nobelpreise vergeben werden.

  • Tipps

    Die Physik der Elementarteilchen befasst sich mit Teilchen der Größenordnung $10^{-18} m$.

    Nur sehr hochenergetische Stöße setzen nun die kleinsten Elementarteilchen frei.

    Lösung

    Die Physik der Elementarteilchen befasst sich mit Teilchen der Größenordnung $10^{-18} m$.

    Um diese kleinsten Bauteile der Materie freizusetzen, bedarf es allerdings sehr großer Apparaturen, die mehrere $km$ groß sein können.

    Ziel ist es, mit diesen Apparaten die Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, um diese miteinander stoßen zu lassen. Diese sehr hohen Geschwindigkeiten bringen natürlich sehr hohe kinetische Energien mit sich.

    Die hochenergetischen Stöße setzen nun die kleinsten Elementarteilchen frei.

    Stelle dir einen Apfel vor, den du einmal ganz leicht und einmal mit voller Wucht gegen die Wand wirfst. Je schneller der Apfel auf die Wand trifft, desto stärker wird dieser zerbersten. Ähnlich verhält es sich auch mit Atomen und Molekülen.

    Man verwendet dazu entweder Linearbeschleuniger, die Teilchen auf einer geraden Strecke bewegen, oder Large Hadron Collider, die häufig eine Kreisbewegung vorgeben.

  • Tipps

    Masse und Energie sind äquivalent.

    $u = 1,66 \cdot 10^{-27} kg = 940,5 MeV $

    $1 MeV = 1,765 \cdot 10^{-30}$

    Lösung

    Masse und Energie sind äquivalent, sodass aus einer Masse immer eine Energie berechnet werden kann, und umgekehrt.

    Diesen Zusammenhang wies Albert Einstein nach. Er formulierte auch die vielleicht bekannteste Formel der Physik $ E = m \cdot c ^2 $.

    Darin ist $m$ die Masse, $E$ die Energie und $c$ die Lichtgeschwindigkeit.

    Für sehr geringe Massen wie die der Elementarteilchen verwenden wir daher oft die Energie, um die Ruhemasse anzugeben.

    Dabei entspricht die atomare Masseeinheit $u = 1,66 \cdot 10^{-27} kg = 940,5 MeV \to 1 MeV = 1,765 \cdot 10^{-30} kg$.

    Für ein Elektron, welches mit $0,511 MeV$ in der Literatur angegeben ist, errechnet sich die Masse in etwa zu $5,486 \cdot 10^{-4} u = 9,11 \cdot 10^{-31} kg $.

    Du siehst: Das ergibt sehr geringe Zahlen, die nicht besonders handlich zu berechnen sind. Deshalb wird die Äquivalenz von Energie und Masse hier genutzt, um die numerische Darstellung zu vereinfachen.

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