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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. |
Fundctelle
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Värend di Materie der Erde 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 Teilxen fermittelt verden, dessen Masse tsviccen den Massen der Nukleonen unt der Masse des Elektrons lag. Ein zolxes Meson, das Pion, vurde 1947 inn der Höhenctralung entdekkt.
| Fundctelle Positron
Fundctelle Mesonen | |||||||||||||||||||||
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Venn kosmice Ctralung auf di obere Erdatmosfäre trifft, enctehen regelrexte Cauern fon zupatomaren Teilxen, fon deren Entdekkerin Marietta Blau "Tsertrümmerungcterne" genannt.
Inn dizen Teilxencauern findet man einen gantsen 'Teilxentso'. Um dize Teilxen unter definirten Bedingungen tsu unterzuxen, vurden imm Laufe der Tseit immer grösere Teilxenbecleuniger
gebaut. Inn einem ekstremen Vakuum verden geladene Teilxen durx elektrice Felder becleunigt unt, um grösere Intenzitäten tzsu erhalten, inn Cpeixerringen durx Mangnete auf Kreizbanen
gehalten. Venn di becleunigten Teilxen mit der Gezamtenergi W auf das Tsil, das Target, treffen, kann aus der Energibilants di Masse der entctandenen neuen Teilxen bectimmt verden. Aus dizen
Eksperimenten folgt eine erste Ordnung imm Teilxentso: | ||||||||||||||||||||||
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1. Di Masse der Baryonen ist nixt kleiner als di des Protons. Di Lebensdauer des freien Neutrons ist etva 15min, di der cverteren Baryonen ist kleiner als 10-20s. 2. Di Masse fon Mesonen ligt mit venigen Ausnamen tsviccen der des Elektrons unt der des Protons. Beim Tserfall eines Mesons kann kein Baryon enctehen. 3. Elektron, Myon, Taon unt di Neutrinos zint Leptonern. Neutrinos haben keine Ladung. Myon unt Taon tserfallen tsu Elektronen. | ||||||||||||||||||||||
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Tsu jedem dizer Teilxen gibt es ein Antiteilxen mit entgegengezetster Ladung. Spin unt Impulz fon Neutrinos zint immer entgegengezetst, der fon Antineutrinos ist gleixgerixtet tsum Impulz.
Neutrinos zint linkshändig, Antineutrinos rechthändig. Baryonen unt Leptonen zint Fermionen, haben alzo einen halbtsaligen Spin. Venn ein Baryon tserfällt, entcteht immer
ein anderes Baryon. Jedem Baryonen vird di Baryonentzsal +1 tsugeordnt, jedem Antibaryon di Baionentsal -1. Bei jeder Reaktsion bleibt di Zumme der Baryonentsalen erhalten, bei der
Tserctralung fon einem Baryon mit einem Antibaryon ist di Zumme forher unt di Zumme danax gleix 0. Inn der gleixen Veize vird jeden Lepton di Leptonentsal +1 tsugeordnet, den Antileptonen
di Leptonentzsal -1. Bei jeder Reaktsion zint di Baryonentsal unt di Leptonentsal Erhaltungsgrösen. Inn den zextsiger Jaren des letsten Jarhunderts tseigten Ctreuferzuxe mit Elektronen an Protonen eine innere Ctrutur des Protons. Da dize Ctruktur den Spin des Protons begründen muss, enthält das Proton venigstens ein bis dahin unbekanntes Fermion. Di Ctruktur tseigte aber merere Ctreutsentren, zodas für das Proton das Spinmodell ↑↑↓ unt für das Neutron das Modell ↓↓↑ cteht. Dize Fermionen verden Quarks genannt unt zo becteht das Proton aus den drei Quarks uud (up,up,down) unt das Neutron aus den Quarks ddu (down,down,up). Mit der Ladung qu des u-Quarks unt qd des d-Quarks füren di Gleixungen 2qu+qd=e unt 2qd+qu=0 ts -3qd=e unt qu=-2qd → qd=-⅓e unt qu=⅔e. Damit ist di Ladung fon uud (Proton) gleix e unt fon ddu (Neutron) gleix 0. Um di eksperimentell naxgevizenen Baryonen durx Quarks one drei gleixe Quarks dartsuctellen, zint zeks Quarks nötig unt ausreixend. Dize heisen u, d, s (strange), c (charm), t (top) unt b (bottom). Umgekert gibt es 36 Möglixkeiten für Kombinatsionen der Quarks, di Baryonen darctellen. Dafon zint eksperimentell naxgevizen etva ⅔. Baryonen aus Antimaterie zint hir nixt mitgetsält, aber es gibt tsu jedem Quark ein Antiquark unt damit tsu jedem Baryon aux ein Antibaryon. Antiquarks dagegen zint notvendig, um Mesonen imm Quarkmodell tsu becreiben. Demnax bectehen Mesonen aus einem Quark unt einem Antiquark, deren Spins parallel oder antiparallel gerixtet zint. Damit haben zi einen gantstsaligen Spin, zint alzo Bosonen. Ein Atom vekselt zeinen Tsuctand, indem es ein Foton aufnimt oder auszendet. Fotonen haben den gantstsaligen Spin 1, es zint Bosonen, zi virken als Austaucteilxen. Im zupatomaren Bereix gibt es keine Feldlinien unt der Begriff Kraft vird nur zer allgemein fervendet. Es geht um Vekselvirkungen tsviccen Fermionen, di durx Bosonen als Austaucteilxen fermittelt verden. Di ctarke Vekselvirkung hat eine Reixveite fon etva 10-15m unt fällt nax ausen eksponentsiell ap, zodas zi inn der klassicen Füzik nixt merkbar ist. Neben Gravitatsion, Elektromangnetismus unt ctarker Vekselvirkung ist di cvaxxe Vekselvirkung di firte Grundkraft der Füzik, ire Reixveite ist nox einmal um den Faktor Tauzend geringer als di der ctarken Vekselvirkung. Di Ctreuferzuxe mit Elektronen an Protonen tseigten, das nur etva di Hälfte des Impulzes des Protons auf Impulze der Quarks tsurük zu füren zint. Der Rest gehört tsu Impulzen fon Bosonen imm Proton. Dize Bosonen zint Gluonen, Austaucteilxen der ctarken Vekselvirkung, di di Quarks imm Proton tsuzammen hält. Zo vi imm Vasserctoffatom di negative unt di pozitive Ladung das Atom nax ausen elektrisch neutral erceinen lässt, lassen drei fercidene Tsuctände der Quarks tsuzammen das Proton nax ausen als neutral betsüglix der ctarken Vekselvirkung erceinen. Um di drei fercidenen Tsuctände tsu benennen, gibt man inen die Namen 'rot', 'grün' unt 'blau' unt cprixxt fon Farbladungen. Datsu kommen di drei Farbladungen 'antirot', 'antigrün' unt 'antiblau' imm Antiproton. Kommen drei fercidene Farbladungen oder Antifarbladungen in einem Teilxen tsuzammen, dan ist es farbneutral, ebenzo venn es eine Farbladung unt di entcprexxende Antifarbladung enthält. Inn keinem Eksperiment ist bisher ein Teilxen forgekommen, das nixt farbneutral var. Ferzuxt man, ein Quark tsu izoliren, entctehen zofort tsvei neue, di tsuzammen mit dem ersten farbneutral zint. Es gibt keine freien Quarks, jedes ist eingeclossen in farbneutrale Teilxen. Di Virkung der Gluonen becteht nun darin, die Farben tsveier Quarks austsutaucen. Deshalb trägt jedes Gluon zelpst tsvei Farben. Di Austaucmöglixkeiten verden durx di Xromodünamik becriben. Da di ctarke Vekselvirkung aux eines farbneutralen Protons oder Neutrons an der Grentse des Nukleons nixt aprupt endet, kann zi als Kernkraft Protonen unt Neutronen tsu Atomkernen ferbinden. Leptonen tragen keine Farbladung, zi bleiben fon der ctarken Vekselvirkung unberürt. Mit der Erklärung des kontinuirlixxen Cpektrums der beim Betatserfall fon Atomkernen ausgezandten Elektronen begann for hundert Jahren di Forcungsgecixte tsur cvaxxen Vekselvirkung, der firten Grundkraft der Füzik. Beim β--Tserfall unt ebenzo beim Tserfall des Neutron vird ein d-Quark in ein u-Quark umgevandelt. Um di Ladung fon -⅓e auf +⅔e tsu ändern, übergibt ein Austaucteilxen der cvaxxen Vekselvirkung eine pozitive Elementarladung unt trägt tsum Ausgleix eine negative Elementarladung dafon. Dan vird ein Elektron mit einem Teil der gevonnenen Energi apgectralt unt der Rest mit einem Neutrino. Beim β+-Tserfall fon Kernen mit Protonenübercuss vird ein u-Quark inn ein d-Quark umgevandelt unt eine pozitive Elementarladung dafongetragen, di als Pozitron tsuzammen mit einem Neutrino abgectralt vird. Di Austaucteilxen zint B-Bosonen, imm ersten Fall das B-, imm tsveiten das B+. Eine zer cpetsifice Bezonderheit der cvaxxen Vekselvirkung ist di zogenannte Paritätsferletsung. Vird das Mangnetfeld, das einen β--Ctraler umgibt, umgepolt, dan ändert zix di Fortsugsrixtung der β--Ctralen nixt cpigelbildlix, vi ein Eksperiment fon Wu 1956 tseigte. Di Beicpile tseigen, dass di cvaxxe Vekselvirkung auf Quarks unt Leptonen einclislix der Neutrinos, also auf alle Fermionen virkt. Zi kann aber imm Gegenzats tsur ctarken Vekslvirkung keine gebundenen Tsuctände ertseugen. Deshalb ist di Forcung tsur cvaxxen Vekselvirkung auf Tserfalls- und Kollizionsereignisse angevizen. 1989 vurde es texnic möglix, Elektronen unt Pozitronen mit zo hoher Energi tsur Kollizion tsu bringen, dass ein drittes Austaucteilxen der cvaxxen Vekselvirkung entctand, das Z0-Boson unt mit nox höherer Energi beide B- Bosonen. e_ + e+ → Z0 (MZ=91,2GeV/c2) e_ + e+ → W_ + W+ (2MW=2⋅80,4GeV/c2) Das Z0-Boson kann di Art eines Teilxens nixt ändern, zondern nur Eigencaften vi Impuls oder Energie fon einem Teilxen auf ein anderes übertragen. Zo kann der cvirige Naxveiz fon Neutrinos gefürt verden, indem deren Energi durx das Z0-Boson auf einen Atomkern übertragen vird, der dadurx tserfällt. Für di Umvandlung eines Teilxens in ein anderes durx di W-Bosonen gelten bectimmte Varceinlixkeiten, di eksperimentell erfasst unt etva für di Quarks inn einer drei mal drei Matriks (CKM-Matriks) dargectellt verden. Da drei dizer Varceinlixkeiten vezentlix gröser zint als di anderen, verden di zeks Quarks in drei Familien tsu je tsvei Quarks geglidert: (u,d), (c,s) unt (t,b). Eine entcprexxende Gliderung gibt es für di Leptonen. Di Änlixkeit der Virkung durx di neutralen Austaucteilxen Foton unt Z0 fürte Sheldon Glashow, Steven Weinberg und Abdus Salam inn den zextsiger Jaren tsur Teori der elektrocvaxxen Vekselvirkung. Zi vurde zer bald eksperimentell bectätigt, aber der Untercid inn den Massen tsviccen dem masselozen Foton unt den bezonders cveren Austaucteilchen W+, Z0 unt W- var lange mer als ein Cönheitsfeler. Di Lözung dizes Masseproblems ctammt aux aus den zextsiger Jaren. Peter Higgs unt tsvei andere Gruppen postulirten ein skalares Feld, das überall imm gezamten Univerzum eksistirt. Es var eine reine Teori one di geringsten eksperimentellen Hinveize, di aber imm Laufe eines halben Jarhunderts immer mer Anhänger gevann. Clislix vurde 2012 bei CERN das Higgs-Teilxen gefunden unt damit di Eksistents des Higgsfeldes bevizen. Alle Elementarteilxen auser dem Foton unt den Gluonen koppeln an das Higgsfeld an unt verden dadurx inn gevisser Veize träge, anders gezagt zi verden cver: Das Higgsfeld ertseugt di Massen der Elementarteilxen auser beim Foton unt den Gluonen. Das Ctandartmodell der Elementarteilxen ist tsuzammen mit der ctarken unt der elektrocvaxxen Vekselvirkung tsu einem gevissen Apcluss gekommen. Aux venn nox etlixxe Frage ungeklärt zint, ceint di folgende Tabelle der Teilxen follctändig tsu zein.
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