Wie ist unsere Materie aufgebaut?

Aus der Chemie sind Dir vielleicht die Moleküle bekannt, die aus Atomen zusammengesetzt sind.
Ein Beispiel für ein Molekül ist das Wasser, daß sich aus zwei Wasserstoff- und einem Sauerstoff-Atom zusammensetzt.
Doch Moleküle sind nicht die kleinsten Bausteine unserer Materie, da sie sich ja noch aus Atomen zusammensetzten lassen.

Doch sind die Atome die kleinsten Bausteine, wie ihr Name (griech. atomos, unteilbar) vermuten läßt???
Die Antwort lautet: NEIN!

Heute weiß man, daß sich unsere Materie aus noch kleineren Bausteinen zusammen setzt. Welche dies sind, kannst Du folgendem Aufbauschema entnehmen:

Man kann also sagen:
Unsere Materie besteht aus den Urbausteinen Up-Quark, Down-Quark, Elektron und Neutrino.

Was kann man über die einzelnen Stufen des Materieaufbaus sagen?

Eine Verbindung von mehreren Atomen bezeichnet man als Molekül. Moleküle haben eine Größenordnung von 10^-9m.

Aus Atomen und Molekülen setzt sich unsere gesamte Materie und das ganze Universum zusammen.

Eine wichtige Atomzusammensetzung sind die Teilchen der radioaktiven Alpha-Strahlung. Bei ihnen handelt es sich um Helium-Atomkerne, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen.

Der Atomkern bildet zusammen mit den unteilbaren, elektrisch negativ geladenen Elektronen das Atom. Die Elektronen, die eine elektrische Ladung von -1e haben, befinden sich auf Kreisschalen um den Atomkern. Ihre Anzahl ist bei einem normalen Atom gleich der Anzahl der Protonen im Kern, so daß das Atom nach außen elektrisch neutral ist. Besitzt ein Atom weniger Elektronen als Protonen, bezeichnet man es als Ion. Atome haben eine Größenordnung von 10^-10m.

Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen und hat eine Größenordnung von 10^-14m. Er ist nach außen elektrisch positiv geladen.

Die Kernbausteine Proton und Neutron bezeichnet man auch als Nukleonen. Sie liegen in der Größenordnung von 10^-15m. Die Anzahl der Protonen im Kern richtet sich danach, zu welchem Element der Atomkern gehört. Die Anzahl der Neutronen ist meist gleich oder größer als die Zahl der Protonen.

Die Tatsache, daß das Atom aus einem sehr kleinen Kern mit viel leerem Raum herum besteht, entdeckte 1909 der Physiker E.Rutherford. In seinem Versuch beschoss er eine sehr dünne Goldfolie mit Alpha-Teilchen, also Strahlungsteilchen der radioaktiven Strahlung. Dabei entdeckte er, daß fast alle Strahlteilchen durch die Folie hindurchflogen, einige wenige jedoch zurückgeworfen wurden, als wären sie gegen einen massiven Körper gestoßen. Dies war der Atomkern. Die anderen Teilchen waren durch die Goldfolie hindurchgeflogen, ohne mit den Goldatomen zu reagieren.
Dazu gibt es eine Simulation der Uni Würzburg, die Dir den Versuchsablauft nahebringen kann. Diese findest Du im WWW unter folgender Adresse:
http://www.physik.uni-wuerzburg.de/programme/atom1.html unter dem Titel:
"Repetitorium zur Atomphysik - grundlegende Atommodelle"; hier kann man sich ein Programm mit der Simulation herunter laden.

Die Kernbausteine oder Nukleonen bestehen aus Quarks Sie haben folgende Quark-Dreierkombination:

Proton: 2 Up-Quarks + 1 Down-Quark
Neutron: 1 Up-Quark + 2 Down-Quarks

Das Up-Quark und das Down-Quark, kurz d und u, sind wie gesagt die Urbausteine, aus denen die Kernbausteine, die Protonen und die Neutronen zusammengesetzt sind. Sie sind kleiner als 10^-18m.
Sie haben folgende elektrische Ladungen:

Up-Quark: + 2/3 e
Down-Quark: - 1/3 e

Damit ergibt sich für das Proton eine elektrische Ladung von +1e, und das Neutron ist elektrisch neutral.

Quarks kann man nicht alleine vorfinden, sie kommen immer nur in Verbindungen vorn zwei oder drei Quarks vor, wie es auch bei den Nukleonen der Fall ist.

Es gibt noch einen weiteren Urbaustein, der in dem Aufbauschema vorkommt. Es handelt sich um das Neutrino. Dieses Teilchen ist nicht direkt am Materieaufbau beteiligt. Es ist elektrisch neutral und reagieren praktisch fast nie mit Materie. Es ist aber zum Beispiel beim radioaktiven Beta-Zerfall, der später noch erklärt werden wird, für die Energieerhaltung notwendig. Von diesen Neutrinos, über deren Masse man bis heute nur weiß, daß sie entweder sehr klein oder gleich null ist, gibt es sehr viele. Sie kommen z.B. von der Sonne in Form der Höhenstrahlung auf die Erde und durchfliegen in jeden Augenblick zu Tausenden Deinen Kopf. Dabei bleiben sie jedoch von Dir unbemerkt und hinterlassen auch keinen Schaden.

Zusätzlich zu dem obigen Aufbauschema gibt es noch ein analoges Aufbauschema in der Welt der Antiteilchen. Bei diesen Antiteilchen handelt es sich um Teilchen gleicher Größe und Masse wie unsere "normalen" Teilchen. Der einzige Unterschied ist der, daß sie entgegengesetzte Ladungen haben. Dies bedeutet, daß z.B. das Antiproton eine elektrische Ladung von -1 hat. Auf diese Weise kann man sich eine komplette Antiwelt aus Antimaterie vorstellen. Zu unserem Glück gibt es aber um uns herum nur Materie, da sich ja bekanntlich entgegengesetzte Ladungen anziehen. Würden nun Materie und Antimaterie aufeinander treffen, würden sie zerstrahlen, da sich alle Masse in Energie umwandeln würde. Das würde bedeuten, daß es uns und das gesamte Universum nicht gäbe.
Vorstellen kannst Du Dir dies bildlich so, daß, wenn Du Deinem Antiich die Hand schütteln würdest, ihr beide sofort in Energie zerstrahlen würdet!

Nachdem Du nun die Grundbausteine der Materie kennst, macht es nun auch Sinn, wenn Du Dir einige Reaktionsbilder aus den Blasenkammern und Teilchendetektoren ansiehst.

Nun folgt noch ein Quiz, in dem Du testen kannst, ob Du das bisher gelernte verstanden und anwenden kannst.

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