Aufbau der Materie

Elementarteilchen und fundamentale Wechselwirkungen

Materie-Teilchen
Fermionen (halbzahliger Spin)
Kräfte / Wechselwirkungen
Bosonen (ganzzahliger Spin)
Quarks
(drittelzahlige Ladung)
Leptonen
(ganzzahlige Ladung)
Starke
Wechselwirkung
8 Gluonen
rel. Stärke ca. 1
3. Generation top-Quark
top, 170,9 ± 1,8 GeV
bottom-Quark
bottom, 4200 + 170/-70 MeV
Tau
Tau, 1,777 GeV
Tau-Neutrino
Tau-Neutrino
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Photon
rel. Stärke ca. 1/137
2. Generation charm-Quark
charm, 1270 +70/-110 MeV
strange-Quark
strange, 104 + 26/-34 MeV
Myon
Myon, 105,6 MeV
Myon-Neutrino
Myon-Neutrino
Schwache
Wechselwirkung
W plusW minusZ Boson
rel Stärke ca. 10-13
1. Generation up-Quark
up, 1,5 bis 3,3 MeV
down-Quark
down, 3,5 bis 6 MeV
Elektron
Elektron, 511 keV
Elektron-Neutrino
Elektron-Neutrino
Gravitation Graviton ?
rel Stärke ca. 10-40
plus Antiteilchen plus hypothetische supersymmetrische Teilchen (dunkle Materie) Higgs-Boson Graviton ?

Kernteilchen

Unter den Materie-Teilchen sind nur die der 1. Genertation sowie die Neutrinos stabil. Up- und down-Quarks bilden Protonen (uud) und Neutronen (udd), die durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden.


Proton Proton Masse = 938,272 MeV = 1,672 * 10-27 kg
Neutron Neutron Masse = 939,565 MeV = 1,675 * 10-27 kg

Quarks treten nie einzeln auf, sondern immer in Dreiergruppen (Hadronen) oder als Quark-Antiquark-Paar (Mesonen).

Protonen (und Anti-Protonen) sind unter allen Quark-Kombinationen die einzigen stabilen Teilchen. Mesonen leben maximal einige Mikrosekunden, viele davon sogar noch wesentlich kürzer. Und auch Neutronen zerfallen mit einer Halbwertszeit von knapp 15 Minuten über einen schwachen Zerfall zu einem Proton, einem Elektron und einem Anti-Elektron-Neutrino. Nur innerhalb von Atomkernen können Neutronen unbegrenzt stabil existieren. Andernfalls wäre die Liste der Elemente im Periodensystem ziemlich kurz. Es gäbe dann nur Wasserstoff. So aber haben wir ca. 80 stabile Elemente, noch wesentlich mehr stabile Isotope und eine Reihe radioaktiver Elemente mit Halbwertszeiten von Sub-Nanosekunden bis zum Milliardenfachen des Alters des Universums.


Atomkerne und Atome

Protonen und Neutronen (zusammenfassend Nukleonen genannt) formen Atomkerne. Beim Beitritt zu einem Kern verlieren sie Bindungsenergie, die etwa 1% ihrer Masse ausmacht, wobei bei Protonen noch die elektrostatische Abstoßung mitzuberücksichtigen ist. Dies ist die Energiequelle bei Kernfusion (Sonne, Wasserstoffbomben).

Zusammen mit den Elektronen bilden die Kerne die Atome bzw. Elemente, die wir kennen. D.h. alles, was wir sehen können, jede Form von Materie, besteht aus nur drei Teilchensorten.

Es wird allerdings vermutet, daß es auch mindestens ein stabiles supersymmetrisches Teilchen geben muß, das die dunkle Materie bildet, deren Existenz im Universum sicher nachgewiesen ist und deren Masse ein Vielfaches der Masse der sichtbaren Materie ausmacht (ungefähr das zehnfache).


Isotope

Isotope sind Elemente, die sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Protonen- und Elektronenzahl sind gleich, und damit (näherungsweise) auch die chemischen Eigenschaften. Üblicherweise notiert man Isotope mit dem jeweiligen Elementsymbol und der Anzahl der Kernteilchen. Nur im Falle des Wasserstoffs haben die beiden Isotope, die es gibt, eigenen Namen und chemische Symbole:


Wasserstoff (H = 1H) Proton
Deuterium (D = 2H) ProtonNeutron
Tritium (T = 3H) ProtonNeutronNeutron

H und D sind stabil, T hingegen ist radioaktiv mit einer Halbwertszeit von 12,32 Jahren über einen schwachen Betazerfall zu 3He, einem der seltensten Stoffe auf der Erde.


Elemente und chemische Bindungen

Da Materie üblicherweise elektrisch neutral ist, ist in jedem Atom die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen. Diese legt fest, um welches Element es sich handelt. Gold hat z.B. 79 Protonen und demnach auch 79 Elektronen. Die Anzahl der Neutronen kann zwischen 116 und 120 betragen, wobei aber nur das Isotop 197Au stabil ist. Andere Elemente können wesentlich mehr stabile Isotope haben, oder auch gar keins, z.B. Technetium, Promethium und alles schwerer als Blei.

Elektronen sind etwa 1830 mal leichter als Nukleonen. Ihr Aufenthaltsbereich ist daher sehr viel weiter ausgedehnt als der Atomkern. Man sagt auch, Elektronen kreisen um den Kern, aber das ist ein völlig irreführendes Bild. Eher bilden sie eine Art stehende Welle um das Atom, wobei diese Welle verschiedene Formen annehmen kann ("Orbitale"). Entscheidend für das Verhalten der Elektronen und damit die gesamte Chemie ist der Umstand, daß Elektronen (genau wie übrigens auch die Quarks und Nukleonen) Fermionen sind. In einen Quantenzustand paßt also immer nur eines hinein. Im Falle von Atomen besteht ein Quantenzustand aus dem Orbital und dem Spin, der bei Teilchen mit Spin 1/2 wie dem Elektron genau zwei Werte annehmen kann, nämlich +1/2 und -1/2.

Das erste Orbital, das 1s-Orbital, ist dann mit 2 Elektronen gefüllt. Hat ein Atom nur 1 Elektron, versucht es sich mit einem anderen zu paaren, sodaß am Ende beide 2 haben, die sie sich teilen. Darauf beruht, wie schon erwähnt, die gesamte Chemie und der Aufbau der Materie, wie wir sie kennen.

Bei größeren Atomen können auch mehrere Orbitale wechselwirken und so komplizierte Strukturen wie Metalle mit ihrem freien Elektronengas oder Halbleiter mit ihren Bandlücken bilden.


Radioaktivität

Elementarteilchen können u.a. durch die schwache Wechselwirkung zerfallen. Beispielweise wandeln sich ein Myon um in ein Elektron, ein Myon-Neutrino, ein Anti-Elektron-Neutrino (plus Energie).

Betrachtet man zusammengesetzte Strukturen, d.h. den Atomkern, so haben wir nach außen sichtbar hauptsächlich vier Arten von Radioaktivität:

- Alpha-Zerfall

Hierbei emittiert der Kern ein Alpha-Teilchen (Helium-Kern) und verringert dabei seine Ordnungszahl um -2. Die abgestrahlten Alpha-Teilchen haben in Materie nur eine Reichweite von einigen Dutzend Mikrometern, können also bereits durch ein Blatt Papier oder die oberen Hautschichten abgeschirmt werden. Typische Alpha-Strahler sind z.B. Uran, Thorium, Radium und Radon.

Innerhalb ihrer Bahn sind Alpha-Teilchen jedoch sehr zerstörerisch. D.h. Gefahr geht von Alpha-Strahlern dann aus, wenn sie sich im Körperinnern befinden, etwa in Form von Staub in der Lunge.

Die Energie eines Alpha-Teilchens ist abhängig vom jeweiligen Kern und für den Zerfall charakteristisch.

- Beta-Zerfall

Hierbei emittiert ein Kern oder ein Atom ein Elektron, beim Beta-Plus-Zerfall ein Positron. Meist entstehen bei Beta-Prozessen auch Neutrinos, die einen Teil der Energie aufnehmen, sodaß die Elektronen oder Positronen eine kontinuierliche Energieverteilung bis zum möglichen Maximalenergie (typischerweise einige MeV) haben.

Die Eindringtiefe von Elektronen in Materie ist gering (je nach Energie einige Millimeter), d.h. für die schädliche Wirkung auf Menschen gilt ähnliches wie bei Alpha-Strahlen. Bei Positronen verhält es sich noch etwas anders, da diese sich in Materie nach sehr kurzer Zeit mit einem Elektron annihilieren und zu 2 oder 3 Gamma-Quanten zerfallen. Dieser Zerfall wird übrigens in der medizinischen Diagnostik (PET) ausgenutzt.

Beta-Zerfall tritt auf, wenn sich durch einen schwachen Zerfall im Kern ein Neutron in ein Proton oder umgekehrt umwandelt. Auch der Alpha-Zerfall ist mit Beta-Strahlung verknüpft, denn wenn der Kern zwei positive Ladungen abstrahlt, folgen aus dem restlichen Atom zwei Elektronen, um die Ladungsneutralität wiederherzustellen.

- Gamma-Zerfall

Gamma-Strahlen haben in Materie eine hohe Eindringtiefe bzw. Durchdringungsvermögen und sind daher gefährlicher als Alpha- und Beta-Strahlen, gegen die man sich sehr leicht abschirmen kann.

Jede Art elektromagnetischer Strahlung (also Licht) mit einer Energie größer als etwa 200 keV wird als Gammastrahlung bezeichnet, unabhängig von ihrer Herkunft. Denn nicht nur Atomkerne können Gammastrahlen aussenden, es gibt auch technische und kosmische Quellen dafür.

- Kernspaltung

Schwere Kerne, z.B. Uran, können nicht nur Alpha-Teilchen emittieren, sondern auch in zwei kleinere Kerne (Tochterkerne) zerplatzen. Dabei werden auch einige Neutronen frei, die wiederum in weiteren Kernen eine Spaltung induzieren können. So kann es zu einer atomaren Kettenreaktion kommen.

Die Tochterkerne bewegen sich mit hoher Energie auseinander und können, wenn dies im Innern des menschlichen Körpers geschieht, sehr schädliche Auswirkungen auf die betroffenen Zellen haben. Eine große Reichweite haben diese Kerne jedoch nicht, sodaß Kernspaltung außerhalb des Körpers harmlos ist.


In der Natur kommen Radioaktivität und Strahlung aller Art mehr oder weniger häufig vor. Beispielsweise trifft ein permanenter Strom hochenergetischer kosmischer Teilchen auf die Erdatmosphäre und kann, je nach Energie, gewaltige Schauer weiterer Teilchen auslösen, von denen einige auch die Erdoberfläche erreichen, wo man sie dann nachweisen kann.

Radioaktive Atome sind in mehr oder weniger hoher Konzentration ebenfalls allgegenwärtig, auch im menschlichen Körper.


Jeder radioaktive Zerfall folgt einem Exponentialgesetz: innerhalb der sogenannten Halbwertszeit zerfällt stets die Hälfte des vorhandenen Materials. Die einzelnen radioaktiven Teilchen altern nicht. Man sieht ihnen nicht an, wieviel Zeit seit ihrer Entstehung verstrichen ist. Die Wahrscheinlichkeit, daß eines in der nächsten Sekunde zerfällt, ist immer gleich und verändert sich nie.

Dennoch ist die Beobachtung und Messung von Radioaktivität und ihren Spuren eins der wichtigsten Hilfsmittel für Datierungsfragen. Denn wenn auch das einzelne Teilchen nicht altert, so gilt das für ein Ensemble davon keineswegs. Der Zerfall hinterläßt Zerfallsprodukte und sonstige Spuren, anhand derer man die verstrichene Zeit genau bestimmen kann.

Die in der Natur für die verschiedenen Zerfälle beobachteten Halbwertszeiten überspannen einen riesigen Bereich: von 10-25 Sekunden (top-Quark) bis zum zig milliardenfachen Alter des Universums (z.B. Tellur mit 2*1032 Sekunden).



Erstellt am 10.4.2012. Letzte Änderung: 3.7.2013