Teilchen, aus denen Atome bestehen, kann man sich auf unterschiedliche Weise vorstellen – zum Beispiel in Form runder Staubpartikel. Sie sind so klein, dass jedes dieser Staubkörner nicht einzeln betrachtet werden kann. Alle Materie in der umgebenden Welt besteht aus solchen Teilchen. Aus welchen Teilchen bestehen Atome?
Definition
Ein subatomares Teilchen ist einer dieser "Bausteine", aus denen die ganze Welt aufgebaut ist. Zu diesen Teilchen gehören Protonen und Neutronen, die Teil von Atomkernen sind. Auch Elektronen, die um Kerne kreisen, gehören zu dieser Kategorie. Mit anderen Worten, subatomare Teilchen in der Physik sind Protonen, Neutronen und Elektronen. In der dem Menschen vertrauten Welt werden Partikel anderer Art in der Regel nicht gefunden - sie leben ungewöhnlich kurz. Wenn ihr Alter endet, zerfallen sie in gewöhnliche Teilchen.
Die Zahl dieser subatomaren Teilchen, die relativ kurz leben, geht heute in die Hunderte. Ihre Zahl ist so groß, dass Wissenschaftler nicht mehr die üblichen Namen für sie verwenden. Wie Sterne werden ihnen oft numerische und alphabetische Bezeichnungen zugeordnet.
Hauptmerkmale
Spin, elektrische Ladung und Masse gehören zu den wichtigsten Eigenschaften jedes subatomaren Teilchens. Da das Gewicht eines Partikels oft mit Masse in Verbindung gebracht wird, werden einige der Partikel traditionell als „schwer“bezeichnet. Die Einstein-Gleichung (E=mc2) zeigt, dass die Masse eines subatomaren Teilchens direkt von seiner Energie und Geschwindigkeit abhängt. Die elektrische Ladung ist immer ein Vielfaches der Grundeinheit. Wenn zum Beispiel die Ladung eines Protons +1 ist, dann ist die Ladung eines Elektrons -1. Einige der subatomaren Teilchen, wie das Photon oder Neutrino, haben jedoch überhaupt keine elektrische Ladung.
Außerdem ist die Lebensdauer des Partikels eine wichtige Eigenschaft. In jüngerer Zeit sind sich Wissenschaftler sicher, dass Elektronen, Photonen sowie Neutrinos und Protonen vollkommen stabil sind und ihre Lebensdauer nahezu unendlich ist. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Das Neutron zum Beispiel bleibt nur so lange stabil, bis es aus dem Kern eines Atoms "befreit" wird. Danach beträgt seine Lebensdauer durchschnittlich 15 Minuten. Alle instabilen Teilchen durchlaufen einen Quantenzerfallsprozess, der nie vollständig vorhersagbar ist.
Partikelforschung
Das Atom g alt als unteilbar, bis seine Struktur entdeckt wurde. Vor etwa einem Jahrhundert führte Rutherford seine berühmten Experimente durch, die darin bestanden, ein dünnes Blatt mit einem Strom von Alphateilchen zu bombardieren. Es stellte sich heraus, dass die Materieatome praktisch leer sind. Und im Zentrum des Atoms ist alles, was wir Atomkern nennen – esetwa tausendmal kleiner als das Atom selbst. Zu dieser Zeit glaubten Wissenschaftler, dass das Atom aus zwei Arten von Teilchen besteht - dem Kern und Elektronen.
Im Laufe der Zeit haben Wissenschaftler eine Frage: Warum haften Proton, Elektron und Positron unter dem Einfluss von Coulomb-Kräften aneinander und lösen sich nicht in verschiedene Richtungen auf? Und auch den damaligen Wissenschaftlern blieb unklar: Wenn diese Teilchen elementar sind, dann kann ihnen nichts passieren, und sie müssen ewig leben.
Mit der Entwicklung der Quantenphysik haben Forscher herausgefunden, dass das Neutron dem Zerfall unterliegt und gleichzeitig ziemlich schnell ist. Es zerfällt in ein Proton, ein Elektron und etwas anderes, das nicht eingefangen werden konnte. Letzteres wurde durch den Mangel an Energie bemerkt. Damals gingen Wissenschaftler davon aus, dass die Liste der Elementarteilchen erschöpft sei, aber jetzt weiß man, dass dies bei weitem nicht der Fall ist. Ein neues Teilchen namens Neutrino wurde entdeckt. Es trägt keine elektrische Ladung und hat eine extrem geringe Masse.
Neutron
Neutron ist ein subatomares Teilchen, das eine neutrale elektrische Ladung hat. Seine Masse beträgt fast das 2.000-fache der Masse eines Elektrons. Da Neutronen zur Klasse der neutralen Teilchen gehören, interagieren sie direkt mit den Kernen von Atomen und nicht mit ihren Elektronenhüllen. Neutronen haben auch ein magnetisches Moment, das es Wissenschaftlern ermöglicht, die mikroskopische magnetische Struktur von Materie zu erforschen. Neutronenstrahlung ist sogar für biologische Organismen ungefährlich.
Subatomares Teilchen – Proton
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass dieseDie „Bausteine der Materie“bestehen aus drei Quarks. Das Proton ist ein positiv geladenes Teilchen. Die Masse des Protons übersteigt die Masse des Elektrons um das 1836-fache. Ein Proton und ein Elektron bilden zusammen das einfachste chemische Element, das Wasserstoffatom. Bis vor kurzem glaubte man, dass Protonen ihren Radius nicht ändern können, je nachdem welche Elektronen über ihnen kreisen. Ein Proton ist ein elektrisch geladenes Teilchen. Wenn es sich mit einem Elektron verbindet, verwandelt es sich in ein Neutron.
Elektron
Das Elektron wurde erstmals 1897 von dem englischen Physiker J. Thomson entdeckt. Dieses Teilchen ist, wie Wissenschaftler heute glauben, ein Elementar- oder Punktobjekt. Dies ist der Name eines subatomaren Teilchens in einem Atom, das keine eigene Struktur hat - nicht aus anderen, kleineren Bestandteilen besteht. Zusammen mit einem Proton und einem Neutron bildet ein Elektron ein Atom. Jetzt haben Wissenschaftler noch nicht herausgefunden, woraus dieses Teilchen besteht. Ein Elektron ist ein Teilchen, das eine infinitesimale elektrische Ladung hat. Allein das Wort „Elektron“bedeutet in der Übersetzung aus dem Altgriechischen „Bernstein“– schließlich verwendeten Hellas-Wissenschaftler Bernstein, um die Phänomene der Elektrizität zu untersuchen. Dieser Begriff wurde 1894 vom britischen Physiker J. Stoney vorgeschlagen.
Warum Elementarteilchen studieren?
Die einfachste Antwort auf die Frage, warum Wissenschaftler etwas über subatomare Teilchen wissen müssen, ist: Informationen über die innere Struktur des Atoms zu haben. Diese Aussage enthält jedoch nur ein Körnchen Wahrheit. BEIMTatsächlich untersuchen Wissenschaftler nicht nur die innere Struktur des Atoms – das Hauptgebiet ihrer Forschung ist die Kollision kleinster Materieteilchen. Wenn diese extrem energiereichen Teilchen mit hoher Geschwindigkeit miteinander kollidieren, wird buchstäblich eine neue Welt geboren, und die nach den Kollisionen zurückbleibenden Materiefragmente helfen, die Geheimnisse der Natur zu lüften, die Wissenschaftlern immer ein Rätsel geblieben sind.
