Sebastian Frank Für Neugierige von 15 bis 18 Jahren Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen d...

Sebastian FrankFür Neugierige von 15 bis 18 Jahren

Die geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen

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Sebastian

Dieser Vortrag ist für Oberstufenschüler ausgelegt und dauert rund 45 Minuten + 5 Minuten für Fragen und Anworten (d.h. eine Schulstunde).Eine Präsentationsfernbedienung ist bei den vielen, schrittweisen Einblendungen auf den Folien empfehlenswert!Der Vortrag ist eine gekürzte, etwas modifizierte Fassung des Vortrags "Geheimnisvolle Welt der Elementarteilchen" von Helmut Eberl, mit ein paar Ergänzungen (vor allem das Video zum Schluß) von meinem Mackepreis-Vortrag.Das Video ist mit meiner Stimme unterlegt, damit man weiß, was man wann ungefähr während der Videovorführung sagen kann. Die Audiospur dient also nur zum Einstudieren des Textes, der Vortragende muß sich diesen Text merken und live vortragen (und bei der Präsentation den Ton stummschalten)!Viel Freude beim Nutzen!Sebastian Frank, September 2009

2Die geheimnisvolle Welt der ElementarteilchenSebastian Frank

Was ist ein Elementarteilchen?

Elementar: Bis heute keine Zusammensetzung aus noch kleineren Teilchen gefunden (Atom nicht elementar!)

Quantentheorie:Materie- und Kräfteteilchen haben sowohl Wellen- als auch Teilchencharakter„Welle-Teilchen Dualismus“Beispiele:

e-

Elektron

PhotonLichtteilchen

Elementarteilchen: Übersicht


1897

Das ElektronThomson (1897)


Masse: 0,511 MeV = 9,1 10-31 kg

Ladung: -1,6 10-19 C = -1e

Fernseher = Beschleuniger

Elektronen bilden Atomhülle im Alltag: Leuchtschirme

e-


18971900-1924

Das Photon

Planck Einstein

Compton


Masse: 0 (masselos)

Ladung: 0 (neutral)

„Photoelektrischer Effekt”Wichtiger Schritt RichtungQuantenmechanik

e-


1897

e-

1900-1924

1914

Rutherford

Das Protonp


Masse: 938,3 MeV = ca. 1836 me

Ladung: +1e

Vorkommen: Atomkern

ist nicht elementar!


P+

e-

Das Wasserstoffatom

Gebundener Zustand dank Elektromagnetismus

Photonaustausch

Elementarteilchen: Das Atom


10-14 mP+

e-

e-

e-

e- 10-14 m

< 10-18 m

10-10 m

Elementarteilchen: Das Atom


d

uu

besteht aus zwei „up-Quarks“ und einem „down-Quark“!

Der Wasserstoffkern – das Proton

Elektrische Ladung 2/3

2/3

- 1/3

Elektrische Abstoßung im Proton überwiegt!

Wie halten Neutronen und Protonen im Atomkern zusammen?

Elementarteilchen: Der Atomkern

P+


Die starke Kraft (Kernkraft)

d

uu ggg

gggg

3 Farbladungen8 Gluonen (Kraftteilchen)

Messbare Objekte sind farbneutral! Es existieren somit keine freien Quarks

(Physik-Nobelpreis 2004)

(Farbe dient hier nur als anschauliches Analogon)

Elementarteilchen: Kräfte


Antiteilchen:Haben dieselbe Masse wie das dazugehörige Teilchen,aber umgekehrte Ladung

e- e+

up anti-up

Elektron Positron

u u

Elementarteilchen: Zwillingspartner


u

dggg

Pion +

1/3

2/3

Drei Bindungsmöglichkeiten: (q q q) = (Proton, Neutron, …) (q q q) = (Antiproton, Antineutron, …) und (q q) = (Pionen, …) - Mesonen

BaryonenHadronen

Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen


P+

besteht aus einem up Quark und zwei down Quarks

d

du

Das Neutron

2/3

- 1/3

- 1/3

2/3 = -1/3 + 1

Es gibt Umwandlung von „up“- nach „down“-Quark …

du + ?

Elementarteilchen: Zusammengesetze Teilchen

frank

"Zusammenhang mit Proton": hier unklar, worauf man hinaus will!


d

uu

Proton

Die schwache Kraft Im Zentrum der Sonne wird Wasserstoff (= Proton) zu Helium (zwei Protonen und zwei Neutronen) fusioniert. Dadurch leuchtet sie. Doch wie funktioniert das im Detail?

Startprozess ist die Fusion von 2 Protonen zu Deuterium (Proton + Neutron).

Dabei wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und sendet ein W+-Boson (Vermittler der schwachen Kraft) aus, das in ein e+ und e-Neutrino

zerfällt.

e+

e

W+

d

du

Neutron

Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft

25‘


Wegen schwacher Kraft passiert diese Reaktion sehr selten (nur alle 10 Milliarden Jahre!).Durch große Anzahl von Protonen im Sterninneren geschieht dies jedoch häufig genug.

1H+ + 1H+ → 2H+ + e+ + e + 0,42 MeV

3He2+ +3He2+ → 4He2+ + 1H+ + 1H+ +

12,86 MeV

e e

e

2H+ + 1H+ → 3He2+ + + 5,49 MeV Nach nur ca. 1,4 Sekunden:

Kernfusion in der SonneProton-Proton-Reaktion

Elementarteilchen: Kernfusion & schwache Kraft

Dank der schwachen Kraft ist unsere Sonne so „langlebig“!


Es gibt 3 Vermittlerteilchen der schwachen Kraft:

W+

W-

Z0Sie sind sehr schwer (80 u. 91 GeV) und wurden dahererst sehr spät entdeckt (1983 im CERN am SPS Ring)(Nobelpreis 1984 an S. van der Meer und C. Rubbia)

Elementarteilchen: Schwache Kraft

Was gibt es noch für Teilchen? …


1897

e-

1914

Das Müonµ-

pn

1937

• Hess (1936)• Anderson• Neddermeyer• Street, Stevenson


Masse: 150,7 MeV

Ladung: -1e

Vorkommen: Höhenstrahlung

Instabil! (2 10-6 s)Nachweis: Funkenkammer!


1897

„I have heard it said that the finder of a new elementary particle used to be rewarded by a Nobel Prize,but such a discovery now ought to be punished by a $10,000 fine.“

e-

1914

K

p

1932

n

µ

1947

e+

1947-...

Dann wurden in rascher Folge viele Teilchen entdeckt:

Charakteristika:Hohe Masse, kurze Lebensdauer

Willis Lamb drückte in seinerNobelpreis-Ansprache 1955 recht gut die Stimmung der Zeit aus:

LambLamb

Elementarteilchen: Teilchenzoo


1897

e-

1914

K

p

1932

n

µ

1947

e+

1947-...

Auflösung des Rätsels kam 1969:„Quantenchromodynamik“ (starke Kraft)

Elementarteilchen: Lösung des Teilchenzoos

Alle neu gefunden, schweren Teilchen (Hadronen) bestehen aus Elementarteilchen, „Quarks“, welcheeine Farbladung tragen

duu

Proton

ddu

Neutron

Dadurch kommt Ordnung in das Chaos, das Standardmodell der Elementarteilchenphysikentsteht …


-e

2.

Gen

.

-

c

s

Das Standardmodell der ElementarteilchenEl.

Lad

un

g

2/3

-1/3

0

-1

Materie

e-

e

u

d

1.G

en

.

3.

Gen

.

-

t

b

2.

Gen

.

+

c

s

3.

Gen

.

+

t

b

e+

1.G

en

.

-2/3

1/3

0

+1

Antimaterie

u

e

d

Das Standardmodell


Kräfte

g

g

g

g

g

g

W+

W-

Z0

ggg

gg

ElektromagnetischeKraft

Photon

SchwacheKraft

W- u. Z-Bosonen

StarkeKraft

Gluonen

Gravitation – Graviton? extrem schwach im Vergleich zu anderen drei Kräften, in Beschleunigerexperimenten vernachlässigbar

Das Standardmodell


Das Standardmodell

Das Standardmodell kann nur dann richtig sein, wenn es noch ein weiteres Teilchen gibt: das Higgs-Boson.

Es verleiht den anderen Teilchen überhaupt erst Masse!

Es wurde allerdings noch nicht gefunden.

Die Suche nach dem Higgs ist daher eine der großen Aufgaben der heutigen Physik.

Der Theoretiker Peter Higgs vor dem ATLAS- Detektor, der „sein“ Higgs-Teilchen finden wird


Erweiterungen des Standardmodells

Das Higgs kann aber noch nicht alles sein … wird werden noch Unbekanntes entdecken müssen, da wir einiges noch nicht verstehen:

Woraus besteht die Dunkle Materie und Dunkle Energie?

Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

Gibt es eine Vereinigung aller Kräfte?

Gibt es eine allumfassende Symmetrie wie Supersymmetrie?

Gibt es verborgene Extra Dimensionen?

10‘


Wie kann man Elementarteilchen erforschen?

… mit dem Mikroskop?

sichtbares Licht (380-750nm)Wellenlänge = AuflösungWir brauchen viel stärke Auflösung!

Jedoch:Kurze Wellenlänge = hohe Energie

Vom Mikroskop zum Beschleuniger


Wegen berühmter Formel E = mc2

(d.h. Energie entspricht Materie)können bei sehr hoher Energie neue Teilchen entstehen!

Keine „passive“ Betrachtung von Materie mehr, sondern „aktive“ Erzeugung von Materieteilchen!

Durch Beschleunigung von Teilchen auf hohe Energien und anschließender Kollision können wir neue, noch unbekannte Teilchen erzeugen und studieren!

Vom Mikroskop zum Beschleuniger

„Mini-Urknall“

Beschleuniger

Der Large

Hadron Collider


Date post:	06-Apr-2015
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