Dann wollen wir uns mal dem Teilchenzoo zuwenden. Historisch betrachtet stammt das Wort "Atome" ja noch von den lieben alten Griechen - "Atomos - das Unteilbare." Es hat sich allerdings herausgestellt, auch wenn es ein paar Tausend Jahre dauerte, dass das mit dem Unteilbar bei den Atomen nicht so ganz stimmt. Heute wissen wir, dass Atome aus dem Atomkern und Elektronen bestehen, und hier wiederum, dass der Atomkern aus Neutronen und Protonen besteht. Also war man lange Zeit der Ansicht, die uns bekannte Material besteht aus diesen 3 kleinsten Teilchen: Neutronen, Protonen und Elektronen. Diese galten als unteilbar. Wie sich herausstellte, hatte man hierbei immerhin zu einem Drittel Recht: Elektronen sind nicht mehr teilbar, sie sind ein Elementarteilchen. Bei den Neutronen und Protonen sollte sich herausstellen, dass diese aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt sind. Dazu unten mehr.
Wie klein sind also solche Elementarteilchen und viele von ihnen befinden sich in einer uns vorstellbaren Gewichtsgröße? Hier können wir uns bei Enrico Fermi bedanken, dessen Name zwar ebenfalls unteilbar mit dem Manhatten-Projekt und damit der ersten Atombombe verbunden ist, der aber dennoch als einer der bedeutensten Physiker des 20. Jahrhunderts gilt. Fermi war dafür bekannt, logisch und durch Deduktion Fragen abschätzend zu beantworten, für die man ansonsten keine richtige Messmethode fand - dies sind die sogenannten "Fermi-Probleme". Was nun den Teilchengehalt eines Menschen angeht, kann man in etwa wie folgt abschätzen:
- Durchschnittsgewicht des erwachsenen Menschen = 75kg
- ~70% des Menschen bestehen aus Wasser
- Die Wassermenge liegt bei 52,5kg (70% von 75kg)
- Wasser ist das Molekül H2O, bestehend aus einem Sauerstoffatom und 2 Wasserstoffatomen. Gemeinsam haben diese das Atomgewicht 18 (2x1 für den Wasserstoff, 1x16 für den Sauerstoff) - Merke: Dies ist keine Gewichtsangabe.
- Seitensprung in die Chemie: 1 Mol (chemische Einheit) Wasser ist definiert als 18g Wasser - wie die Chemiker ein Mol definieren, wie das mit dem Atomgewicht in Verbindung steht, etc. müsst Ihr mal unter " Loschmidt- oder Avogadrozahl" nachschauen. Nach der Definition des Mol besteht 1 Mol aus 602 Trilliarden Atomen
(
) -> Avogadrozahl (Konstante)
- 18g Wasser besteht demnach aus 602 Trilliarden Atomen und der Mensch zu 70% aus Wasser, also haben wir 52,5k = 52.500g Wasser - dies entspricht 2916 Mol Wasser. Am Ende dieser Rechnung kommen wir zu der Aussage, dass alleine der menschliche Wasseranteil aus 7,5 x 10^27 Atomen besteht - das ist eine 7,5 mit 27 Nullen dran. Also nur der Wasseranteil des Menschen besteht aus 7.500.000.000.000.000.000.000.000.000 - eine Zahl, die selbst in Zeiten der Finanzkrise und Billionen-Rettungspaketen unsere Vorstellungskraft sprengt. Und wir reden hier von Atomen, nicht von Elementarteilen - und auch nur der Wasseranteil.
Fassen wir zusammen: Die Dinger sind echt klein. Und überall sind schrecklich viele davon.
Wie vorher schon angeführt, ist das Elektron ein Elementarteilchen und gehört zur Gruppe der "Leptonen". Die Leptonen sind nun wiederum eine Kategorie von Elementarteilchen, neben den Eichbosonen und den Quarks. Also merke: 3 Gruppen von Elementarteilchen.
Zu den Leptonen gehören die Elektronen, das Elektron-Neutrino, das Myon-Neutrino, das Myon, das Tauon und das Tauon-Neutrino. Die Neutrinos sollen später in einer Gruppe vorgestellt werden. Myon und Tauon sind auch so Sonderfälle...das Elektron soll uns zur Betrachtung erst einmal reichen. Die Leptonen unterliegen der schwachen Wechselwirkung und der Gravitation, soweit sie keine Ladung haben. Das Elektron als negativ geladenes Teilchen unterliegt auch der elektromagnetischen Wechselwirkung aufgrund seiner Eigenladung.
Die Eichbosonen sind jene Teilchen, die als die "Kraftmittler" gelten - diese sind also die "Träger" der elektromagnetischen Wechselwirkung, der Gravitation, der Kernkräfte (schwach und stark). Wichtigstes Merkmal der Eichbosonen in der Standardtheorie ist, dass sie masselos sind - damit unterliegen sie natürlich auch nicht der Gravitation, mit Ausnahmen wiederum. Ich will hier auf die Eichbosonen an dieser Stelle aber noch nicht eingehen, die Dinger sind echt kompliziert.
Die dritte Gruppe der Elementarteilchen sind die Quarks - aus diesen bauen sich die Neutronen und die Protonen zusammen. Es gibt sechs unterschiedliche Quarks:
Up-Quark, Down-Quark, Strange-Quark, Charm-Quark, Bottom-Quark und Top-Quark. Ja, die Namen sind bizarr, in der Physik spricht man hier vom "Flavour" des Quark - also dem Geschmack. Was auch immer "Strange" für ein Geschmack sein mag...wichtig ist an dieser Stelle aber nur zu wissen, dass sich zum Beispiel ein Proton immer aus 2 Up- und einem Down-Quark zusammensetzt, das Neutron aus 1 Up- und 2 Downquarks, etc.
Jedes Elementarteilchen besitzt ein entsprechendes Antiteilchen als Bestandteil der Antimaterie und alle vorgenannten Elementarteilchen sind ausschließlich Bestandteil der sogenannten "leuchtenden Materie" - während das Universum und die Welt in der wir leben einen wesentlich höheren Anteil von Dunkler Materie als leuchtender Materie zu haben scheint. Aber gut, mit Dunkler Materie wollen wir nun nicht auch noch anfangen. Für die weiteren Ausführungen in diesem Thementhread reicht erst einmal, sich die folgenden Elementarteilchen zu merken: Die Quarks zur Bildung der Hadronen Neutron und Proton, die Elektronen als Elementarteilchen, die Neutrinos weil die spannend sind und die Photonen, zu denen später noch mehr zu sagen sein wird. Alle anderen Teilchen wollen wir erst mal unter den Teppich kehren - die sind was für Dr. Sheldon Cooper.
Eine schematische Darstellung des Atomkerns müsste also so aussehen:
und wer möchte kann sich in Österreich eine illustre Tüte Elementarteilchen kaufen
wobei hier das Higgs-Boson noch in der Aufstellung fehlt - dafür sind die Gluonen dabei, die ich gar nicht erst erwähnt habe.
Standardmodell demnach:
