Aus was bestehen die kleinsten Teilchen Physik?

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9 Antworten

Es gibt natürlich keinen »Stoff«, aus dem die kleinsten Teilchen bestehen könnten, sondern umgekehrt, Stoffe bestehen aus den kleinsten Teilchen und ihre Eigenschaften kommen durch Anzahl und Anordnung überhaupt erst zustande, sie sind »emergent«.

Die Teilchen selbst sind letztlich aus Energie, ggf. mit einigen zusätzlichen intrinsischen und unveränderlichen Eigenschaften wie etwa einer eventuellen invarianten Eigenmasse, einem eventuellen Spin, einer eventuellen elektrischen Ladung, einer eventuellen Leptonen- oder Baryonenzahl etc..

Die Eigenschaft, ein Teilchen zu sein, ist übrigens emergent. Im Grunde gibt es erst einmal nur Felder mit unterschiedlichen Eigenschaften mit elementaren Anregungen (engl. »ripples«).

Materiefelder sind immerhin so strukturiert, dass die Anzahl ihrer elementaren Anregungen einer Kontinuitätsgleichung unterliegt und diese auch einzeln als kompakte Wellenpakete in Erscheinung treten und auch dank ihrem Spin dem Ausschließungsprinzip von Wolfgang Pauli unterliegen können. Sie können auch die Eigenschaft der elektrischen Ladung besitzen und dem elektromagnetischen Feld interagieren.

Zu solchen Interaktionen und so genannten virtuellen Teilchen gibt es hier einen Artikel:  https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/virtual-particles-what-are-they/

Die Anregungen mancher Felder kann man jedoch nicht guten Gewissens als Teilchen bezeichnen, Photonen zum Beispiel.Ein Photon ist elementare Anregung einer bestimmten Schwingungsfrequenz eines elektromagnetischen Feldes.

Dadurch hat es auch immer eine definierte Wellenlänge - dafür lässt es sich nicht einmal unscharf lokalisieren.

Es nimmt immer den gesamten Raum eines Strahlungsfeldes aus, ähnlich wie ein Ton auf einer Guitarre die gesamte Seite in Anspruch nimmt. Ein lokalisiertes elektromagnetisches Wellenpaket wiederum kann kein Photon sein, uns sogar die Anzahl der Photonen ist nicht scharf bestimmt.


Jedes Elementarteilchen ist Summe extrem vieler Wellen, deren Menge ständigem Wandel unterliegt.


Den Beweis hierfür liefert die Quantenfeldtheorie. Sie nämlich sieht jedes Elementarteilen als Summe von Feldanregungen, deren jede — einzeln für sich — Welle genau einer Frequenz ist. Die Zeitspanne, über die hinweg so eine Welle existiert, kann beliebig kurz sein, muss aber — nach Heisenbergs Ungleichung für die Unbestimmtheit von Lebensdauer und Energie — umso größer sein, je kleiner die Frequenz (und damit die Energie) der Welle ist. 

Mit anderen Worten:

Soweit unsere besten physikalischen Modelle nicht an Heisenbergs Unschärferelation (genauer: an quantenphysikalischer Unschärfe) die Grenze ihrer Aussagefähigkeit erreichen, sind die sog. Elementarteilchen die kleinsten Teilchen im Sinne der Physik.

Schon heute aber ist klar: Jedes Elementarteilchen ist Summe einer unbegrenzt großen Anzahl einzelner Wellen (= Feldanregungen). Die Menge dieser Wellen ändert sich fortlaufend, da 

  • Quantenfluktuation ständig neue solcher Wellen erzeugt
  • und die Zeitspanne, in der so eine Feldanregung dann existiert, beliebig groß, aber auch beliebig klein sein kann.


Sorry, aber die Logik diktiert, dass die Frage ein Widerspruch in sich ist. Etwas, das schon das kleinste ist, kann nicht aus etwas noch kleinerem bestehen. Du fragst, "aus was [...] die kleinsten Teilchen [bestehen]", aber eben darin liegt der Irrtum, denn wenn sie aus etwas noch kleinerem bestehen sind diese Teilchen, die aus etwas noch kleinerem bestehen, nicht mehr die kleinsten Teilchen. 

Abgesehen davon sind mir nur die verschiedenen Quarks als kleinste Teilchen bekannt, aber ich kann mich auch täuschen, da ich bisher nur bis zum Abi gekommen bin. Zumindest von der Masse her kann man Elektronen, Positronen, Neutrinos und so weiter vermutlich ebenfalls auf diesem Niveau vergleichen.

Aber aus irgendetwas müssen doch diese Teilchen bestehen???

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@MatheRaph

Die kleinsten Teilchen sind bereits die kleinsten Teilchen, also können sie nicht aus etwas noch kleinerem bestehen, weil sie sonst nicht die kleinsten Teilchen wären. Ist doch eigentlich logisch, oder?

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In Neutronen und Protonen stecken Quarks. Das sind die kleinsten Elementarteilchen Stand heute.

http://www.geo.de/geolino/forschung-und-technik/6609-rtkl-wissenschaft-cern-teilchenjagd-im-untergrund

Die Leptonen solltest du nicht unter den Tisch fallen lassen.

Und dann wären das die Teilchen, die man als "Materie" bezeichnet.

Dazu kommen die Austauschbosonen, die Kräfte vermitteln, oder Wechselwirkungen.

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@ThomasJNewton

Ja, Du hast Recht. Ich wollte jetzt nicht zu sehr ins Detail gehen, deswegen habe ich den Artikel verlinkt, wo man das nachlesen kann. Da steht das auch mit den Leptonen.

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Über Quarks hinaus gibt es noch zahlreiche weitere Elementarteilchen (Teilchen also, die im Sinne unseres physikalischen Weltbildes kleinstmöglich sind).

Sie alle werden beschrieben durch das sog. Standardmodell der Elementarteilchenphysik.

Nur etwa die Hälfte davon sind Materieteilchen (sog. Fermionen). Alle anderen nennt man Bosonen.

Typische Beispiele für Bosonen sind Photonen (Lichtwellen).

Typische Beispiel für Fermionen sind Quarks, aber z.B. auch Elektronen oder Positronen.

http://greiterweb.de/spw/Standardmodell-Elementarteilchen.htm


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Nun es gibt zb die string Theorie aber der jetzihe wissenschaftliche stand sind wohl Protonen und Neutronen woraus ein Atom besteht und daraus dann der Rest allerdings gibt es noch freie radikale die Neutrinos die sollen so klein sein dass sie sogar feste Materie durchdringen können

Autsch ...

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@prohaska2

Das mit Neutrinos hat aber nicht nur was mit der Größe zu tun, sondern mit der neutralen Ladung und mit der Energie.

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Und es gibt unter den Protonen und Neutronen noch die Quarks

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Freie Radikale und Neutrinos sind völlig verschiedene Sachen.

Radikale sind Moleküle mit einem ungepaarten Elektron (ein Hydroxylradikal OH* zum Beispiel, man schreibt einen Punkt für dieses Elektron; ich habe einen Stern genommen).

Neutrinos sind Teilchen des Standardmodells, sie sind extrem leicht, und spielen in der normalen Chemie keine Rolle, lediglich der Teilchenphysiker interessiert sich für diese. Sie gehen kaum Wechselwirkungen ein, daher "spürt" man sie so gut wie gar nicht (sind schwer nachzuweisen).

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Die kleinsten Teilchen können aus nichts kleinerem bestehen, da sie sonst nicht die kleinsten Teilchen wären.

Kann dir niemand sagen. Es gibt nachgewiesene Teilchen, aber dann werden immer wieder neue kleinere nachgewiesen oder postuliert.

Viel ist dabei auch noch Theorie und nicht wirklich erklärt.

Die Frage ist außerdem, was du mit "klein" meinst? Viele Teilchen werden nach Masse oder nach Energie klassifiziert und den "Durchmesser" wird man bei den ganz kleinen nur schwer bestimmen können.

Selbst bei einem Atom, ist die angegebene Größe ja nicht wirklich etwas "festes", sondern es wird sozusagen die Reichweite der Wechselwirkungen gemessen, also die Elektromagnetische Oberfläche des Atoms.

Die Teilchen, die das verursachen sind um ein Vielfacher kleiner. Und je nach Elektronenkonfiguration kann ein uns dasselbe Element unterschiedlich "Groß" sein.


Wenn man wüsste aus was die kleinsten Teilchen bestehen, wären diese ja nicht mehr die kleinsten Teilchen :D Also eine ziemlich paradoxe Frage

atome bestehend aus atomkern, elektronen und neutronen

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