 Kleiner Ausflug in den Teilchenzoo
Um die Welt der Elementarteilchen zu verstehen, sollte man besser alles zu vergessen, was man bisher darüber zu wissen glaubte
Von Paul Fumagalli
Sie denken, ein Teilchen ist ein sehr kleiner Körper, der ein Baustein eines größeren sein kann und alles in allem klar definierte Eigenschaften besitzt. Weit gefehlt! Der Begriff des „Teilchens“ in der Physik ist alles andere als anschaulich oder gar einfach.
Elementarteilchen sind die kleinsten Bausteine der Materie, die nicht mehr weiter in kleinere Einheiten unterteilbar sind. Die alten Griechen nannten das Atom, das Unteilbare. Lange Zeit galt das Atom tatsächlich als unteilbar. Nach und nach stellte sich heraus, dass ein Atom aus dem Atomkern und der Elektronenhülle besteht und dass auch der Atomkern eine Struktur besitzt im Gegensatz zur Elektronenhülle, die sich aus Elektronen, kleinen, negativ geladenen Teilchen zusammensetzt.
Der Atomkern besteht aus Nukleonen, den positiv geladenen Protonen und den ungeladenen Neutronen. Wenn das Neutron aus dem Atomkern herausgelöst wird, zerfällt es in wenigen Minuten in ein Proton, ein Elektron und ein weiteres Teilchen, das Neutrino. Das Neutron ist ebenso wenig ein Elementarteilchen wie das Proton, dessen innere Struktur sich offenbart, wenn man es mit unvorstellbar großer Energie auf ein Hindernis schießt. Daraus entwickelte sich eine neue, bis heute gültige, Theorie:
Das Proton besteht aus Quarks, von denen es sechs Arten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt. Jeweils drei formen das Proton und das Neutron. Zusammen mit den Elektronen und den Neutrinos bilden diese Elementarteilchen nach heutigem Wissen die Bausteine der gesamten Materie.
Das Teilchen und sein Gegenteil
Der scheinbar einfachste Bewohner des „Teilchenzoos“ der Physiker ist das Elektron mit einer Masse von 9×10-31 kg* und einer elektrischen Ladung von 1.6×10-19 C**. Und seine Größe? Etwas, das Masse hat, muss auch eine Ausdehnung haben, werden Sie denken. Muss es nicht! Ein Elektron ist eine punktförmige Masse, seine Ausdehnung ist exakt null! Die Dichte des Elektrons und die Dichte der elektrischen Ladung sind deshalb unendlich groß. Das gleiche gilt für die Quarks. Damit besteht unsere Welt, so wie wir sie begreifen und erleben, in ihrem Innersten aus lauter punktförmigen Elementarteilchen, die selbst keine Ausdehnung haben.
Die nächste Zumutung für unsere Alltagsvorstellungen ist, dass ein Teilchen gleichzeitig Teilchen- und Wellencharakter hat. Macht man z. B. ein Stoßexperiment, verhält sich das Teilchen wie ein massebehafteter Körper: Es stößt wie eine kleine Kugel. Lässt man es durch ein sehr kleines Loch fliegen, verhält es sich wie eine Lichtwelle: Hinter dem Loch ordnen sich die Elektronen zu einem Beugungsmuster. Konsequent gedacht, kann – ebenso wie ein Teilchen Wellencharakter haben kann – eine Welle wie gewöhnliches Licht Teilchencharakter haben! Diese Lichtteilchen nennt der Physiker liebevoll Photonen.
Aber noch nicht genug! Zu jedem Elementarteilchen existiert ein passendes Antiteilchen mit gespiegelten Eigenschaften – zum Elektron das Positron mit exakt gleicher Masse und exakt gleicher Ladung, die aber positiv ist. Werden ein Positron und ein Elektron aufeinander geschossen, lösen sie sich quasi in Nichts auf. Übrig bleibt reine Energie, die in Form von Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge freigesetzt wird. Physiker nennen das Paarvernichtung. Wo ist die Ladung geblieben und wo die Masse?
Einstein hat diese Frage beantwortet: E = mc2 ( E = Energie, m = Masse und c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) Energie und Masse sind lediglich verschiedene Darstellungsformen derselben Sache. Damit verliert nun auch die bisher be-„greifbare“ Masse ihre naive Interpretation.
Ein Elektron ist also ein Körper mit Masse und Ladung, aber ohne Ausdehnung, wobei die Masse bei Kontakt mit seinem Antiteilchen vollständig in Energie verwandelt werden kann.
Übrigens: Von den Neutrinos, die milliardenfach in der Sonne entstehen und durch die Erde durchfliegen, als wenn sie aus Luft bestünde, dachte man auch lange, sie hätten keine Masse Die haben sie aber doch, wie man jetzt weiß, und als Folge davon wandeln sie sich auf dem Weg von der Sonne zur Erde von einer Sorte (es gibt drei) in eine andere um. Zauberei? Nein: Physik!
Dr. Paul Fumagalli
ist Professor am Institut für Experimentalphysik (WE 1) an der Freien Universität Berlin. Mit freundlicher Genehmigung von "WIR - Magazin für die Ehemaligen der FU Berlin"
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