Protonen und Quarks?
Warum haben haben Protonen eine Elementarladung von +1, das Up-Quark eine Ladung von +2/3 und das Down-Quark eine Ladung von -1/3? Das Proton könnte doch auch eine Elementarladung von +3 haben, das Up-Quark eine Ladung von +2 und das Down-Quark eine Ladung von -1!
Auch könnte das Proton eine Elementarladung von +1 haben, das Up-Quark eine Ladung von +1/3 und das Down-Quark eine Ladung von +1/3!
Das Elektron hat natürlich bei allen Annahmen die Elementarladung -1!
4 Antworten
Die Ladung des Protons wurde eben zu 1 normiert und die des Elektrons zu -1.
Da jetzt das Proton 1 haben muss und ein Proton aus 2 Up Quarks und einem Down Quark besteht ergibt sich für das Upquark eben die Ladung +2/3 und für das Downquark -1/3.
Damit geht sich dann natürlich auch das Neutron zu einer Gesamtladung von 0 aus.
Wichtig ist das ganze ist mit der Elementarladung normiert. Die Ladung des Protons ist damit 1e oder umgerechnet 1,602*10^-19 C.
Nein das Up Quark kann nicht die Ladung 1/3 tragen.
Rechne einfach mal nach. Wenn ein Proton aus 2 Up und einem Downquark bestehen muss gilt hier:
2u + 1d = 1
Für das Neutron gilt
u + 2d = 0
Dieses Gleichungssystem hat dann eben die Lösung 2/3 für u und -1/3 für d und damit ist das Verhältnis so fix vorgegeben.
Mir geht es darum des in Universum so ist wie es ist, in diesem Fall um des!!!
Was ist genau dein Problem?
Wir wissen eben das ein Proton aus zwei Up und einem Downquark besteht. Warum das so ist wissen wir nicht genau, wir wissen nur dass es so ist.
Damit sich also das alles Mathematisch ausgeht ergeben sich daraus dann eben diese Ladungen.
Da die Elementarladung die Ladung der Elektronen und Protonen ist, war es nunmal logisch die einfach auf 1 zu definieren. Wenns dir Spaß macht kannst du aber jeden beliebigen Wert hier nehmen und die Ladungen der Quarks ergeben sich aus der Rechnung oben.
Mir geht es eher darum warum es so ist wie es ist?
Beschreib bitte dein Problem genau?
Willst du wissen warum ein Proton und Neutron aus 3 Quarks bestehen?
Willst du wissen warum die überhaupt aus Quarks bestehen?
Willst du wissen woher wir wissen, dass die aus Quarks bestehen?
Konkretisiere deine Frage, dann fällts anderen auch leichter heraus zu finden worauf du überhaupt hinaus willst denn derzeit ists nicht klar.
Die Frage zu den Ladungen der Quarks ist mit dem oberen Antworten geklärt, es geht sich eben nicht anders aus wenn die Parameter so sind wie sie sind.
Warum erschafft das Universum die Quarks und die Hadronen mit solchen Ladungen anstatt nicht mit den oben angegebenen Alternativen!
Wie soll es sich denn mit den alternativen ausgehen?
Nehmen wir an das das Up Quark hat die Ladung 1/3 und Down -1/3
Ein Proton hätte dann die Ladung 1/3 und ein Neutron -1/3 was ja nicht geht sonst wäre das Neutron nicht neutral.
Die Ladung des Protons und Neutrons geht sich eben nur in diesem Verhältnis aus.
Bevor jetzt die Frage kommt warum das Proton die Ladung 1 hat und nicht etwa 2/3 dann weil der Mensch es nun mal so definiert hat.
Wenns dir Spaß macht kannst du auch deine eigene Einheit der Ladung erfinden und dem Proton die Ladung 1.577798 geben.
Ja was hast du denn sonst gmeint........
Warum erschaft das Universum die Quarks mit diesen Ladungen?
Weil es nun mal anders nicht möglich ist!!
Wenns andere Ladungen wären wäre das Neutron nicht negativ. Die Frage nach alternativen Ladungen ist also gleich der Frage warum Neutronen negativ sind.
Keine Ahnung es kann sich vermutlich auch mit negativ geladenen "Neutronen" ausgehen. Ist aber nunmal nicht der Fall weils die nicht gibt, daher ist der alternativfall für die Physik nicht von belang.
Die Physik beantwortet keine warum fragen. Also warum ist das Universum so wie es ist und warum sind die Naturkonstanten wie sie sind beantwortet die Physik nicht. Die Physik versucht die Vorgänge in der Natur zu beschreiben also solange Neutronen nicht plötzlich negativ geladen sind gibts auch keinen Grund eine alternative Theorie aufzustellen in der das möglich wäre.
Am Ende ist das einfach eine Normierung. Das Proton könnte auch eine Ladung von 1,7349836 Millionen haben. Macht die Sache aber nicht einfacher.
Leider hat man die Quarks erst später entdeckt als die Protonen und Elektronen. Da wurde bereits festgelegt, dass die Ladung von Elektronen und Protonen 1 ist.
Jap das ist mir schon klar. Dann Teil 1,7349836 Mio halt noch durch 3
Deine Frage ist ähnlich wie: Warum ist 1 Meter ein Meter lang. Das Versuche ich zu erklären. Solche Konventionen sind oftmals geschichtlich bedingt. Hätte man zuerst die Quarks gefunden und dann die Protonen, dann wäre die Ladung heute vielleicht anders definiert.
Noch zu deiner zweiten Ergänzung: Das Elektron hat immer die negative Ladung des Protons. Proton +3 und Elektron -1 ist also nicht möglich. Sonst wären Atome elektrishc geladen und das sind sie nicht.
Das hat absolut nichts mit "NACHRECHNEN!!!" ZU tun!
Doch hats. Überleg doch einfach mal nach wenn ein Proton aus 2 Up und einem Down besteht und ein Neutron aus einem Down und einem Up und das Proton die Ladung 1 trägt, welche Ladungen müssen dann die Quarks tragen?
Du kannst natürlich die Frage stellen warum ein Proton und Neutron jeweils aus 3 Quarks bestehen, die Antwort ist komplizierter. Aber kurz gesagt die Teilchen Verhalten sich in Sachen der Kernbindungskräfte ziemlich ähnlich damit ists naheliegend dass sie eine ähnliche Struktur haben die sich aber in ihrer Gesamtladung unterscheiden.
Du verstehst nicht auf was ich hinaus will!
Dann musst du vielleicht besser kommunizieren. Dir wurde erklärt warum das Proton die Ladung 1 trägt. Dir wurde erklärt warum die Verhältnisse so sind wie sie sind. Wo hängts?
Ja scheinbar schon. Hier gibt es zwei Möglichkeiten
- Du willst was wissen, kannst aber nicht erklären was
- Wir haben dir bereits erklärt warum, du verstehst aber nicht warum
Ich bin sehr geduldig. Kannst es gerne nochmal probieren.
P.S. Darf ich fragen mit welcher Altersgruppe ich es zu tun hab. Einem Grundschüler erklär ich die Quarks anders, als einem Physikstudenten. (Null komma null böse gemeint)
Aber das Proplem liegt wohl eher daran das ihr meine Frage nicht versteht!
Nein, das Problem ist, dass du die Antwort nicht verstehst. Ich hab gerade in den anderen Kommentaren mitgelesen. Deine Frage war: Warum erschafft das Universum quarks mit diesen komischen Ladungszahlen.
DIe antwort darauf wurde oben zwei mal gegeben.
Aber gerne nochmal:
Das ist eine NORMIERUNG. Oder anders gesagt. Die Menschheit hat beschlossen, dass das Elektron die Ladung 1 hat. Einfach nur weil es einfach ist. Damit hat das Universum nichts zu tun. Wenn das Elektron allerdings die Ladung 1 hat, dann ergibt sich daraus, dass die Quarks die gedrittelten Ladungen haben. Auch damit hat das Universum nix zu tun. Deswegen auch mein Vergleich mit dem Meter. Auch hier hat die Menschheit beschlossen, das 1m eine bestimmte Länge hat und daraus ergibt sich die Länge eines Centimeters. Auch hiermit hatte das Universum nichts zu tun. Das sind menschliche Konventionen. Aus fertig.
Aha, der Urknall war also ein Menschlicher Beschluss das Universum zu erschaffen!
Nein, das hab ich auch nie gesagt. Jesus bist du begriffsstutzig... Der Wert der Ladung ist normiert und von Menschen beschlossen. Du kannst der Ladung jeden Wert zuordnen den du möchtest, solange du das konsistent machst.
Jede Einheit in der Physik kannst du frei wählen. Der Urknall ist keine Einheit.
Deine komische Logik ergibt einfach keine Sinn!
Doch tut sie. Als Beispiel: Länge hat verschiedene Einheiten auf der Welt, z.B. Meter, Meilen, Fuß, Zoll
Temperature hat verschiedene Einheiten z.B. Celsius, Fahrenheit, Kelvin
0°Celsius entsprechen 32°Fahrenheit entsprechen 273,15° Kelvin. Merkst du wie ich der Temperatur einen belibiegen Zahlenwert zuordnen kann? Genauso kann ich das auch bei der Ladung machen. Ich sage einfach die Ladung des Elktrons ist 1 und daraus definiere ich alle anderen Ladungswerte. Genau das hat die Menschheit gemacht, als das Elektron entdeckt wurde.
In Coulomb gemessen hat das Elektron nicht die Ladung 1, sondern diese:
−1,602176634 · 10−19 C
und das up-Quark dementsprechend 2/3 * 1,602176 634 · 10−19 C
Das hat keinen Bezug zu meiner Frage aber egal?
Doch hat es, deine Frage war warum das Proton nicht den Wert +3 hat und ich sag dir, dass du das frei wählen kannst. Dann habe ich Beispiele aufgezeigt, die das verdeutlichen.
Der Grund warum wir sagen Protonenladung = +1 ist einzig und alleine, das es so schön einfach ist.
Das ist aber nicht meine Frage! Aber egal durch die Stellung meiner Frage auf Gutefrage-net hab ich die Antwort auf meine Frage selber gefunden!
Wieso ich hab doch fast die Antwort auf meine Frage selber gefunden?
Ich brauch mir die Elementarladung nicht erklären, weil ich sie verstanden habe. Ich würde nur eifnach gerne wissen, was deine Frage war.
Ich bewundere Deinen Gleichmut bei soviel Begriffsstutzigkeit des Fragestellers :)
Auch könnte das Proton eine Elementarladung von +1 haben, das Up-Quark eine Ladung von +1/3 und das Down-Quark eine Ladung von +1/3!
nein, könnte es nicht.
weil das die struktur des standardmodells nicht hergibt.
quarks sind geladen unter der schwachen wechselwirkung, das bedeutet dass die linkshändigen up und down quarks bezüglich der SU(2) eichgruppe sich wie unterschiedliche zustände eines teilchens verhalten. so wie die unterschiedlichen farbladungen der quarks verschiedene zustände bezüglich der SU(3) eichgruppe sind.
das heißt also vor allem dass sie auch dieselbe hyperladung Y (die ladung bezüglich der U(1) eichgruppe ) haben.
die elektrische ladung setzt sich zusammen aus dem schwachen isospin (der ladung unter der SU(2)) und der hyperladung Y (der ladung unter der U(1)), weil das was wir nach der spontanen symetriebrechung photon nennen eine überlagerung ist eines eichbosons der ungebrochenen SU(2) und jenem der U(1). damit ist auch die ladung an welche das photon kopplet, eine mischung aus den beiden. und diese ladung an welche das photon koppelt ist eben genau das was wir "elektrische ladung" nennen.
mit der elektrsichen ladung Q, der dritten komponente des schwachen isospins I_3 und der hyperladung Y.
I_3 ist für die verschiedenen zustände +1/2 bzw. -1/2. in analogie zu einem teilchen mit spin-1/2 nennen wir diese beiden zustände "up"-quark und "down"-quark.
die elektrischen ladungen von up- und down-quark sind also
damit können wir jetzt noch nicht sagen was die elektrische ladung sein muss, da wir Y noch nicht bestimmt haben (und möglicherweise gar nicht bestimmen können, siehe unten), aber wir kennen auf jeden fall schon einmal die differenz der ladungen von up- und down-quark, nämlich
und das widerspricht deiner obigen annahme.
so wie die linkshändigen up- und donw-quarks ein doublet unter der SU(2) bilden, so tun es übrigens auch das linkshändige elektron und neutrino. die argumentation ist also exakt die gleiche um zu sehen dass auch für diese die differenz der elektrischen ladungen gleich 1 sein muss.
es gibt also in der struktur des standardmodells gewissen bedingungen an die ladungen, welche erfüllt sein müssen. neben der struktur der eichgruppen, wie oben, ist die bedingungen dass sich alle eichanomalien, quanteneffekte welche die eichsymmetrie brechen würden, vollständig kürzen wenn man alle beiträge von allen teilchen aufsummiert.
wenn man die struktur des standardmodells einmal gegeben annimmt (ja, ich weiß dass deine nächste frage lauten wird "JA, ABER WIESO....", und ich kann dir die antwort gleich geben: weiß man nicht), mit drei generationen einem linkshändigen quark doublet, einem linkshändigen lepton-doublet und die zugehörigen rechtshändigen felder als singeltts unter der SU(2), dann bekommt man ein set an bedinungen an die (vorher in keiner weise beschränkten) hyperladungen Y.
die frage ist nun. hat man genug bedinungen von gruppenstruktur und anomaly cancellation dass man alle ladungen eindeutig bestimmen kann, oder bleibt es bei bestimmten beziehungen zwischen manchen ladungen (so wie z.B. up und down), aber manche parameter bleiben frei.
im ersten fall hätten wir eine ladungsquantisierung, im zweiten fall wäre zumindest ein Y unbestimmt und damit ohne erklärung (den wert kennen wir natürlich sowieso von allen, wir wissen ja experimentell welche ladungen die teilchen haben).
es zeigt sich dass wir im standardmodell in der tat nicht genug bedingungen haben, um alle ladungen zu fixieren.
wenn man allerdings Majorana-massenterme für die neutrinos erlaubt, dann bekommt man exakt die nötigen zusätzlichen bedingunen, mit denen das gleichungssystem für die hyperladungen genau eine einzige lösung hat, nämlich
und damit für die elektrischen ladungen
das ist einer der gründe warum man gerne Majorana-neutrinos hätte. weil sich das ohne sie nicht so schön ausgeht.
der grund warum bei den quarks immer diese faktoren 1/3 auftreten, ist übrigens der, dass die quarks in drei farbzuständen vorkommen (der SU(3) teil des standardmodells spielt also für die quantisierung der elektrischen ladung auch eine rolle). wenn man alle beiträge von allen teilchen aufsummiert, wenn man forder dass sich alle anomalien kürzen, dann darf man nicht vergessen, dass es aufgrund der farbladung dreimal soviel quarks gibt wie leptonen. daraus ergeben sich dann diese drittel ladungen in der ladungsquantisierung.
Ich verstehe auch nicht, was Deine Frage ist. Ich biete zwei bessere Formulierungen an, und du sagst dann, was du gemeint hast (oder erklärst Dich genauer, wenn nichts paßt).
- Die Natur sagt, daß sich die Ladungen von Elektronen, Protonen, up-Quarks und down-Quarks wie −1:1:⅔:−⅓ verhalten. Aber dieselben Verhältnisse könnte man ja auch als 1;−1:−⅔:⅓ oder −3:3:2:−1 ausdrücken. Warum nehmen die Physiker immer die erste Version? Bruchzahlen sind doch uncool.
- Und wo kommt eigentlich dieses Ladungsverhältnis −1:1:⅔:−⅓ für e:p:u:d her (in den konventionellen Einheiten)? Warum kann man den Quarks nicht auch ganzzahlige Ladungen zuordnen? Wenn das up--Quark +1 hätte und das down-Quark −1, dann würde doch auch die „richtige“ Ladung fürs Proton uud herauskommen, oder?
Die Antworten sind übrigens in Kurzform (1) historische Konvention (Elektronen hat man vor quarks entdeckt, und warum hätte man denen Ladung −3 oder −666 zuordnen sollen) und (2) daß das nicht geht (z.B. muß das Neutron udd neutral sein).
Und wenn Du nicht sagst, was Du eigentlich fragen willst, dann wirst Du eben keine Antwort bekommen.
Mir geht es um das VERHÄLTNIS, wie oft soll ich es noch sagen!!!