Skip to main content
Disciplines
Automotive Business IT + Informatics Construction + Real Estate Electrical Engineering + Electronics Energy + Sustainability Insurance + Risk Finance + Banking Management + Leadership Marketing + Sales Mechanical Engineering + Materials
Events
DE
EN
Books
Journals
Topic Page
Marketing
Start single access now
Access for companies
EXTENDED SEARCH
Log in
Top

2010 | Book

Atome, Bausteine der Materie Read chapter Read first chapter

Die Entdeckung des Unteilbaren

Quanten, Quarks und der LHC

Author: Jörg Resag

Publisher: Spektrum Akademischer Verlag

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

Login to get access
insite
SEARCH

About this book

Mitten in Europa ist eine der größten und komplexesten Maschinen in Betrieb gegangen, die wir Menschen je gebaut haben: der Large Hadron Collider (kurz LHC). Mit ihm öffnet sich ein Fenster in eine neue Welt, die viele Geheimnisse birgt: Was verleiht den Teilchen der Materie ihre Masse? Gibt es verborgene Raumdimensionen? Existiert ein tiefer Zusammenhang zwischen Teilchen mit verschiedenem Spin (Supersymmetrie)? Woraus besteht die dunkle Materie, die unser Universum durchdringt?

Mit diesem Buch taucht der Leser ein in diese wunderbare Welt, die wir Menschen in der Neuzeit entdeckt haben: Atome und ihre Substruktur aus Quarks und Leptonen, die rätselhafte Quantenmechanik, Teilchen des Lichts, Einsteins Gewebe aus Raum und Zeit, die vier Wechselwirkungen und schließlich die neue Welt, in die der LHC gerade vordringt und in der wir Higgs-Teilchen, Supersymmetrie und womöglich erste Anzeichen für die String-Theorie vermuten.

Nach der Lektüre ist klar: Wir leben in einer erstaunlichen Welt und sind gerade im Begriff, bei der Enträtselung ihrer Geheimnisse einen entscheidenden Schritt nach vorne zu gehen.

Table of Contents

Frontmatter
1. Atome, Bausteine der Materie
Zusammenfassung
Woraus besteht Materie? Ist sie kontinuierlich und in immer kleinere Stücke teilbar, oder besteht sie aus vielen kleinen Bausteinen? Die letztere Idee existierte bereits im antiken Griechenland, doch erst die zunehmende Entwicklung der Chemie und Physik in den letzten gut 300 Jahren brachte zunehmend die Gewissheit, dass es diese Bausteine tatsächlich gibt.
Jörg Resag
2. Seltsame Quantenwelt
Zusammenfassung
Unser bereits recht detailliertes Bild vom inneren Aufbau der Atome besagt, dass ein Atom aus einem sehr kleinen, schweren, positiv geladenen Kern besteht, um den sich ein oder mehrere winzige, sehr leichte, negativ geladene Elektronen bewegen. Ansonsten besteht ein Atom nur aus leerem Raum. Wie können wir uns die Bewegung der Elektronen genauer vorstellen? Machen Sie sich auf eine Überraschung gefasst!
Jörg Resag
3. Atomkerne und spezielle Relativitätstheorie
Zusammenfassung
Die Physik der Atomhülle lässt sich mit den Mitteln der nichtrelativistischen Quantenmechanik mit hoher Genauigkeit beschreiben. Die Elektronen, die diese Atomhülle aufbauen, sind nach heutigem Wissen sehr klein (kleiner als 0,0001 fm, wobei 1 fm = 10-5 Å = 10-15 m ist) und ohne eine erkennbare Substruktur. Sie können uns also bei unserer Suche nach der inneren Struktur der Materie zunächst nicht weiterhelfen. Wir wollen uns daher dem Mittelpunkt der Atome zuwenden, dem Atomkern.
Jörg Resag
4. Teilchenzoo, Quarks und Wechselwirkungen
Zusammenfassung
Versetzen wir uns zurück in das Jahr 1932. Das Proton, das Neutron, das Elektron und das Photon waren bekannt. Albert Einstein hatte 27 Jahre zuvor seine spezielle Relativitätstheorie veröffentlicht, und Schrödinger, Heisenberg, Bohr und viele andere hatten in den Jahren seit 1925 die Quantenmechanik entwickelt. Der Aufbau der Atome und der Atomkerne war weitgehend bekannt und ließ sich im Rahmen der Quantenmechanik zusammen mit den Maxwell-Gleichungen und einigen Modellvorstellungen zur starken Kernkraft recht gut beschreiben. Es gab zwar noch einige unbeantwortete Fragen, insbesondere bezüglich des sogenannten Betazerfalls einiger Atomkerne, doch insgesamt schien das physikalische Weltbild relativ abgeschlossen zu sein. Es gab nur wenig Anlass, nach weiteren Substrukturen der Materie zu suchen. Doch man täuschte sich!
Jörg Resag
5. Quanten und Relativität
Zusammenfassung
Hadronen besitzen eine Ausdehnung, die typischerweise bei etwa einem Fermi liegt. Ihre Bausteine, die Quarks, besitzen Massen von einigen MeV bis zu 170 000 MeV. Aus der Unschärferelation lässt sich bei Vorgabe der Quarkmasse und der Ortsunschärfe die Geschwindigkeitsunschärfe eines Quarks innerhalb eines Hadrons abschätzen. Für die Ortsunschärfe wollen wir etwa ein Fermi ansetzen, entsprechend der typischen Ausdehnung der Hadronen. Dies ergibt für up- und down-Konstituentenquarks mit einer Masse von 320 MeV eine Geschwindigkeitsunschärfe von etwa einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit. Die Quarks im Inneren eines Protons oder Neutrons haben also mittlere Geschwindigkeiten, die von der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit sind. Wenn wir statt der Konstituentenquarkmassen die leichteren Stromquarkmassen in der Unschärfe - relation verwenden, so steigert sich diese mittlere Geschwindigkeit sogar noch.
Jörg Resag
6. Das Standardmodell der Teilchenphysik
Zusammenfassung
Von den vier bekannten fundamentalen Wechselwirkungen haben wir bisher zwei Wechselwirkungen intensiv betrachtet: die elektromagnetische und die starke Wechselwirkung. Zur theoretischen Beschreibung dieser beiden Wechselwirkungen existiert ein sehr erfolgreiches Konzept: die Eichtheorie, die wir in Kapitel 5.3 kennengelernt haben. Die Wahl der Eichgruppe U(1) für die elektromagnetische Wechselwirkung sowie SU(3) für die starke Wechselwirkung ermöglicht mithilfe des Eichprinzips die Aufstellung der klassischen Feldgleichungen. Darauf aufbauend ist es möglich, die zugehörigen Quantenfeldtheorien zu formulieren: die Quantenelektrodynamik (QED) für die elektromagnetische Wechselwirkung sowie die Quantenchromodynamik (QCD) für die starke Wechselwirkung.
Jörg Resag
7. Gravitation
Zusammenfassung
Obwohl die Gravitation, also die Schwerkraft, mit Abstand die schwächste aller Wechselwirkungen ist, ist sie diejenige Kraft, die wir in unserem täglichen Leben am direktesten wahrnehmen können. Der Grund dafür liegt darin, dass die Gravitation als einzige Wechselwirkung nur anziehende, aber keine abstoßenden Kräfte zwischen Objekten hervorruft. Gleichbedeutend damit ist die Aussage, dass es bei der Gravitation nur positive Gravitationsladungen gibt, nämlich die Masse eines Objektes. Diese Gravitationsladung ist für Teilchen und Antiteilchen, nach allem, was wir heute darüber wissen, gleich. Es gibt keine Gravitationsladungen mit verschiedenem Vorzeichen, genauso wenig, wie es negative Massen gibt.
Jörg Resag
8. Aufbruch in neue Welten
Zusammenfassung
Wir sind nun fast am Ende unserer Entdeckungsreise angekommen. In den bisherigen Kapiteln habe ich versucht, den Stand unseres Wissens über die Wirkungsweise der Naturgesetze darzustellen, wie er bis zur Inbetriebnahme des Large Hadron Colliders (LHC) Ende 2009 als gesichert gelten konnte.
Jörg Resag
Backmatter
Metadata
Title
Die Entdeckung des Unteilbaren
Author
Jörg Resag
Copyright Year
2010
Publisher
Spektrum Akademischer Verlag
Electronic ISBN
978-3-8274-2485-3
Print ISBN
978-3-8274-2484-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-8274-2485-3

Premium Partners

    Image Credits