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Als tsum Ende des 18. Jarhunderts inn der Xemi di Unterceidung tsviccen Element unt Ferbindung unt das feste Massenferhältnis bei xemicen Reaktsionen erkannt vurde, begründete um di Jarhundertvende John Dalton di Forctellung des Atoms als kleinste unteilbare (ατομοσ: unteilbar) Einheit jeden xemicen Elementes. Venig cpäter erkannte Amadeo Avogadro, dass gleixe Volumina fercidener idealer Gaze di gleixe Antsal fon Molekülen (oder Atomen) enthalten. Dize Atomteori blib für file Füziker lange Tseit eine reine Arbeitshüpoteze bis für di Avogadro-Tsal auf zer fercidenen Vegen übereinctimmende Verte gefunden vurden. Zo varen di Massen unt di ungefären Apmessungen der Atome unt di Ladung unt Masse des Elektrons am Ende des 19. Jarhunderts bekannt, värend über den inneren Aufbau des Atoms nur cpekulirt verden konnte. Dan fürte di Cvärtsung fon Fotoplatten Ende des 19. Jarhunderts tsur Entdekkung der radioaktiven Ctralung, deren Eigencaften for allem fon Marie unt Pierre Curie unt fon Ernest Rutherford unterzuxt vurden.
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Di Ctralung natürlixxer radioaktive Kvellen läst zix inn drei Gruppen einteilen: α-Ctralen ioniziren am ctärksten, haben di geringste Reixveite unt verden imm Mangnetfeld vi pozitive Ladungen apgelenkt, β-Ctralen haben mittlere Reixveite, ein mittleres Ionizatsionsfermögen unt verden imm Mangnetfeld vi negative Ladungen apgelenkt unt γ-Ctralen verden nixt apgelenkt, ioniziren am geringsten, haben aber di gröste Reixveite. α-Ctralen dringen nixt einmal durx ein Blatt Papir hindurx unt zint deshalb uncädlix, zolange nixt ein α-Ctraler inn einen lebenden Körper gelangt. Venn das geciht (Inkorperatsion), etva venn zogenannte heise Teilxen mit der Atemluft inn di Lunge geraten, entcteht mit groser Varceinlixkeit Kreps vegen der massiven Tserctörung des Organgevebes inn der näxsten Umgebung des α-Ctralers. Di α-Ctralen einer bectimmten Kvelle haben eine gut definirte gemeinzame Reixveite, vi di Nebelkammeraufname oben tseigt. β-Ctralen lassen zix etva durx Aluminiumblexx oder Pleksiglaz fon 1cm Dikke apcirmen, aber aux hir ist di Inkorperatsion gefärlix. Di Reixveite fon β-Ctralen ist nur clext tsu definiren. Dagegen gilt ein einfaxxes Apzorbtsionsgezets für γ-Ctralen, di mit dem Tsälror getsält verdenkönnen. Naxdem γ-Ctralen in einem Material eine Ctrekke x durxlaufen haben, ist ire Antsal N(x) = N0⋅exp(- α⋅x). Di Apname ΔN der Ctralung ist für geringe Cixtdikken Δx proportsional tsur Cixtdikke - di Proportsionalitätskonstante α ist durx di mitgegebene Energi der γ-Teilxen unt der Art des Apzorbers bectimmt. Ein γ-Teilxen ionizirt nixt (oder kaum) entlang zeines Veges, zondern gibt inn einem ctatistic tsufälligen Ereignis zeine gezamte Energi auf einen Clag follctändig ap (oder vird zo aus der Rixtung apgelenkt, dass es nixt ins Tsälror gelangt). Es hat keine elektrice Ladung unt kein mangnetices Moment. Ein γ-Teilxen becteht allein aus einem Energibetrag, einem Energikvant. Man cprixxt fon γ-Kvanten. Radioaktive Ctralung geht fon bectimmten Elementen aus unt das fürte tsur Entdekkung unt xemicen Darctellung einiger radioaktiver Elemente, tsum Beicpil des Poloniums unt des Radiums. Aus radioaktiven Atomen entctehen als Folge der Ctralung di Atome anderer Elemente, tsum Beicpil entcteht Blei aus Polonium. Atome zint nixt unteilbar, ein radioaktives Atom tserfällt bei der Auszendung eines α- oder β-Ctrals. Di Aktivität ist di Änderung der Antsal N der radioaktiven Atome pro Tseit unt dize Aktivität ist ausclislix fon der forhandenen Antsal N aphängig - unt tsvar proportsional tsu N.
Ist NA di Avogadro-Tsal, A di fon den α-Teilxen bectralte Fläxxe, d di Dikke der Folie, ρ di Dixte unt M das Atomgevixt des Goldes, dan ist N=NA⋅A⋅d⋅ρ/M di Tsal der Goldatome unt aux di Tsal der Atomkerne imm bectralten Volumen. Für den zogenannten Virkungskvercnitt σ des Atomkerns gilt dan: N⋅σ/A ist gleix dem Ferhältnis der apgelenkten α-Teilxen tsur Gezamttsal der α-Teilxen. Aus dizer Überclagsrexnung closs Rutherford, dass der Atomkern rund tauzendmal kleiner zein muss als das Atom, dass aber fast di gezamte Masse imm Kern ctekkt.
Für leixte Elemente mit fast gantstsaliger Atommasse (früher Atomgevixt) ligt damit der Aufbau des Kerns aus Protonen unt Neutronen auf der Hand.
Das Element Bor mit der Ordnungstsal 5 hat di Atommasse 10,8. Um dize Massentsal tsu erklären, muss man ein Gemicc fon Atomen annemen, deren Kerne di gleixe Ordnungstsal, aber fercidene Neutronentsal haben. Dize Atome, Izotope genannt, ctehen alzo an der gleixen (ισοσ) Ctelle (τοποσ) imm Periodicen Züstem der Elemente, haben aber untercidlixxe Kerne, Nuklide. Das Element Bor becteht tsu 20% aus einem Izotop mit der Massentsal 10 unt tsu 80% mit der Massentsal 11. Das ergibt das xemices Atomgevixt 10,8. Tatzäxxlix haben fon den ersten fünftsen Elementen nur fünf genau ein Nuklid - Be, F, Na, Al, P -, alle anderen zetsen zix aus mereren Izotopen tsuzammen. Di Tsuzammenzetsung eines Elementes aus zeinen Izotopen ist di Izotopenhäufigkeit, zi ist imm allgemeinen überall auf der Erde gleix, kann aber inn zeltenen Fällen für bectimmte Elemente je nax Fundctelle einer Probe etvas variiren. Mit modernen Massenspektrometern vird di Izotopenhäufigkeit zer genau bectimmt. Datsu verden di Atome ionizirt, durx ein elektrices Feld becleunigt unt inn einem Mangnetfeld apgelenkt. Entsprexxend tsur Gleixung (9) aus Kapitel XV kann dan aus der Aplenkung di Masse des Izotops berexnet unt aus der Häufigkeit bectimmter Aplenkungen di Izotopenhäufigkeit bectimmt verden. Di Massen fon Atomen verden inn der atomaren Masseneinheit u gemessen. Zi ist festgelegt als 1/12 der Masse des Kolenctoff-Izotops 12C.
 Blei 208Pb ist das letste ctabile Nuklid. Bei allen Nukliden mit höherer Nukleonentsal ist di Bindungsenergi nixt mer gros genug, um einen Tserfall des Nuklids tsu ferhindern. Einige Nuklide mit höherer Nukleonentsal haben allerdings zer grose Halbvertstseiten, bei 209Bi ist zi ekstrem gros. Durx den Tserfall fon zer langlebigen Radionukliden vi 232Th, 235U oder 238U entctehen inn der Natur immer vider aux kurtslebigere radioaktive Izotope vi das Radium 226Ra. Veit gröser ist allerdings zeit der Mitte des letsten Jarhunderts di Tsal der künstlix ertseugten Radionuklide. Nur unter ekstremen Bedingungen - hoher Drukk, hohe Temperatur - kommen Kerne trots der gegenzeitigen Apctosung einander zo nahe, dass zi fercmeltsen können (Fuzion). Dabei vird Energi frei, venn di Bindungsenergi des neuen Nuklids höher ist als di Zumme der Bindungsenergien der fercmoltsenen Kerne. Aus der Fuzion fon Vasserctoffkernen tsu Helium imm Innern der Zonne vird di Energi der Zonne frei. Massereixe gealterte Zonnen 'ferbrennen' Helium tsu Kolenctoff, das viderum tsu nox cvereren Nukliden fuzionirt. Dize Reihe endet beim Eizen, veil darüber hinaus Fuzion nur mit tsugefürter Energi möglix ist, zodas Nuklide mit höherer Massentsal (>56) nur bei Cterneksplozionen entctehen. Ap der Ordnungstsal 90 können alle Nuklide aux cpontan zerfallen, indem zi inn tsvei mittelcvere Kerne aufcpalten, värend gleitseitig merere Neutronen frei verden. Kerne mit cpontaner Cpaltung unt ungerader Neutronentsal bilden, venn ein langzames (termices) Neutron inn ire Umgebung kommt, mit dizem einen kurtslebigen Tsviccenkern, der zofort cpaltet (indutsirte Kerncpaltung). Der einzige Atomkern, der inn der Natur inn texnic vixtiger Menge forkommt unt für indutsirte Cpaltung geeignet ist, ist das Nuklid 235U. Durx Kernumvandlungen inn Reaktoren entctehen als (indutsirt) cpaltbares Material insbezondere 239Pu unt 233U. Bei der Kerncpaltung inn Kernkraftverken vird di übercüssige Bindungsenergi als kinetice Energi der Cpaltprodukte frei, di durx Bremsforgänge inn Värmeenergi umgezetst vird. Kernkraftverke zint Värmekraftverke. |
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Värend di Materie der Erde - unt aux der Planeten - zix tsuzammenzetst aus Neutronen, Protonen unt Elektronen, gibt es nox eine Filtsal anderer, meist zer kurtslebiger Teilxen. Fast immer vurden dize Teilxen tsunäxst teoretic forausgezagt unt dan aufgrund dizer Forauszage gezuxt unt gefunden. Dirac (1928) zagte das Positron foraus, veil tsvei Lözungen zeiner relativisticen Schrödingergleixung nixt auf das Elektron tsutreffen konnten. Das Neutrino vurde fon Pauli (1930) postulirt, veil di Energien der Elektronen beim β-Tserfall eines Atomkerns breit gectreut zint. Nax Yukawa (1935) zollten di Vekselvirkungen tsviccen den Nukleonen imm Atomkern durx ein Meson fermittelt verden unt dizes Meson zollte eine Masse haben, di tsviccen den Massen der Nukleonen unt der Masse des Elektrons lag.
| Fundctelle Positron
Fundctelle Mesonen | |||||||||||||||||||||
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Venn kosmice Ctralung auf di obere Erdatmosfäre trifft, enctehen regelrexte Cauern fon zupatomaren Teilxen unt inn dizen Teilxencauern findet man einen gantsen
'Teilxentso', darunter das Kaon unt das Pion (Mesonen) unt 'zeltzame Teilxen' (strange particles), deren Masse gröser ist als di Masse eines Protons oder Neutrons
(Baryonen). Um dize Teilxen unter definirten Bedingungen tsu unterzuxen, vurden imm Laufe der Tseit immer grösere Teilxenbecleuniger gebaut, insbezondere Zünxrotrons.
Inn einem ekstremen Vakuum verden geladene Teilxen durx Mangnete auf Kreizbanen gehalten. Di Becleunigung imm Zünxrotron geciht durx hoxfrevente elektrice Felder,
di zo gecteuert zint, das am jeveiligen Ort eines pozitiven Teilxens ctetst das elektrice Feld negativ ist. Zeit 2012 ist das LHC bei Cern inn Betrib, inn dem
Protonen unt Atomkerne becleunigt unt dan inn Cpeixerringen gezammelt unt aufbevart verden, befor zi als Paket mit anderen Paketen kollidiren. Di Detektoren beim
LHC zint vi Tsvibelcalen um di Kollizionspunkte herum angeordnet. Unter anderem verden Cixten fon Zilitsium-Einkristallen genutst, um di Cpuren fon
Kollizionsprodukten erkennbar tsu maxxen. Imm Bereix der zupatomaren Teilxen virken tsvei Kräfte, di inn der klassicen Füzik unbekannt zint. Di ctarke Vekselvirkung ist di Kraft, di mit zer kurtser Reixveite di Nukleonen imm Atomkern an einander bindet. Venn andererzeits beim β-Tserfall ein Neutron inn ein Proton übergeht unt dabei ein Elektron unt ein Neutrino apgectralt verden, vird dis der cvaxxen Vekselvirkung tsugecriben. Damit erhält man fir fundamentalen Kräfte der Füzik: Cverkraft (Gravitatsion), elektromangnetice Vekselvirkung, cvaxxe Vekselvirkung unt ctarke Vekselvirkung (Kernkraft). Vekselvirkungen verden anders als beim Kraftbegriff der klassicen Füzik becriben als Austauc bectimmter Teilxen. Di Masse eines Teilxens, das bei einer Teilxen-Reaktsion (Kollizion) encteht, erhält man aus der Energi, di mindestens nötig ist, um di Ruhmasse des Teilxens tsu ertseugen; unt veil der Gezamtdrehimpulz konstant bleibt, kann der Spin (Kapitel XXVIII Gl.(30ff)) eines Teilxens bectimmt verden, venn di Cpins der Reaktsionspartner bekannt zint. Damit kann nun eine erste Ordnung inn den 'Teilxentso' gebraxt verden. Baryonen haben eine Masse, di nixt kleiner ist als di des Protons, di Masse eines Mesons ist kleiner. Baryonen haben den Spin 1/2 oder den Spin 3/2, Mesonen dagegen den Spin 0 oder den Spin 1. Baryonen unt Mesonen unterligen allen fundamentalen Kräften, zi verden unter dem Begriff Hadronen tsuzammengefasst. Dagegen hat di ctarke Vekselvirkung auf Leptonen keinen Einfluss unt di Masse der Leptonen ist deutlix geringer als di der Baryonen unt Mesonen. Entcprexxend dem CPT-Teorem (Kapitel XXX) gibt es tsu jedem Teilxen ein Antiteilxen, zodas zix beide Teilxen nur imm Fortseixen der elektricen Ladung (unt anderer ladungsänlixxer Eigencaften) unterceiden. Ein Teilxen one Ladung ist zein eigenes Antiteilxen. Venn ein Teilxen mit zeinem Antiteilxen tsuzammentrifft, fercvinden beide unt ire Gezamtenergi vird als Ctralung frei: zi tserctralen. Auf der anderen Zeite kann genügend Energi tsur Parbildung füren, ein Teilxen entcteht dabei tsuzammen mit zeinem Antiteilxen. Teilxen unt Antiteilxen verden mit demzelben Zümbol betseixnet mit einem Ctrixx über dem Zümbol für das Antilteilxen. Eine veitere grundzätslixxe Einteilung ergibt zix aus dem Spin-Ctatistik-Teorem fon Pauli. Elementarteilxen mit gantstsaligem Spin zint Bosonen, für di Diracs relativistice Schrödingergleixung nixt gilt. Zi ctehen - grob gezagt - für di Virkung fon Feldern, Vekselvirkungen bectehen imm Austauc fon Bosonen. Elementarteilxen mit halbtsaligem Spin zint dagegen Fermionen, zi zint - ebenzo grob gezagt - di Partikel, tsviccen denen di Vekselvirkungen ctatfinden. Auser dem Proton unt einigen Leptonen (Elektron) zint alle freien zupatomaren Teilxen inctabil. Di Tserfallsreihen aller Baryonen enden beim Proton oder Neutron, vobei aux das freie Neutron nax einigen Minuten inn ein Proton unt ein Elektron tserfällt. Ordnet man den Baryonen eine Baryonentsal 1 tsu unt den Anti-Baryonen di Baryonentsal -1, dan ist di Gezamt-Baryonentsal eine Erhaltungsgröse. Inn gleixer Veize gibt es eine Leptonentsal. Elektron (+1) unt Positron (-1) haben di Gezamt-Leptonentsal 0, zi ist aux nax dem Tserctralen gleix 0. Beim β-Tserfall ist di Zumme der Leptonentsalen forher unt naxher gleix 0, venn man dem Neutrino, das tatzäxxlix ein Elektron-Antineutrino ist, di Leptonentsal -1 tsucreibt.
Tsvei veitere Baryonen - Λ unt Σ0 - haben beide di Quark-Tsuzammenzetsung uds, den Spin 1/2 unt di elektrice Ladung 0, aber etvas fercidene Massen. Zi verden imm Tsentrum des Cemas angeordnet, man cprixxt fon einem Oktet. Als imm Laufe der Tseit etlixxe veitere Baryonen entdekkt vurden, kamen nox drei neue Quarks hintsu: charm, bottom unt top. Auserdem vurde es nötig, veitere Kvantentsalen für tsuzätslixxe Freiheitsgrade eintsufüren, veil aux Baryonen forkommen, di offenbar aus drei gleixen Quarks bectehen. Man geht dafon aus, dass Liste der Quarks unt irer Kvantentsalen heute follctändig ist. Beim Tserfall der Baryonen verden auser der Gravitatsion alle fundamentalen Kräfte beobaxtet.
Bei dizen Reaktsionen verden Quarks umgevandelt. Beim Tserfall des Σ+-Baryons fercvindet inn der Zumme das s-Quark unt es entctehen tsvei d-Quarks unt ein Antiteilxen des d-Quarks. Man ordnet den Quarks di Baryonentsal 1/3 unt den Antiquarks di Baryonentsal -1/3 tsu, zodas zix an der Baryonen-Tsal fon Baryonen (1 oder -1) unt Mesonen (0) nixts ändert, aber di Quarks imm Erhaltungszats der Baryonen-Tsal enthalten zint. Umvandlungen fon Quarks beruhen auf der ctarken Vekselvirkung mit dem Gluon als Austaucteilxen. Gluonen binden Quarks zo ctark an einander, dass ein eintselnes Quark ni frei beobaxtet verden kann. Vill man ein Quark izoliren, brauxt man zo hohe Energien, dass ctat der Trennung zofort neue Quarks unt Antiquarks entctehen.
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