Atome und Teilchen (2)

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Wie ein Atom Licht ausstrahlt ✔ | Elementarteilchen ✔ | Quarks ändern sich beim Beta-Zerfall ✔

Wie ein Atom Licht ausstrahlt

Die heutige Theorie der Teilchen nennt man das Standardmodell. Nach diesem Modell sind Elektronen fundamentale Elementarteilchen. Neutronen und Protonen bestehen jedoch aus anderen Elementarteilchen, die Quarks genannt werden (Siehe weiter unten). In der gewöhnlichen Materie gibt es zwei Arten von Quarks, die aus Gründen der Zweckmäßigkeit als Up-Quark und Down-Quark bezeichnet werden. Jedes Proton oder Neutron besteht aus drei Quarks. Die Quarks haben im Vergleich zur Ladung eines Elektrons Bruchteile von Ladungen.

Wenn ein Elektron Energie aufnimmt, springt es auf eine höhere Schale Wenn ein Elektron Energie verliert, fällt es zurück auf eine niedrigere Schale und ein Photon wird emittiert.
Elektron springt auf eine höhere Schale Elektron fällt zurück auf eine niedrigere Schale

Wenn ein Elektron auf irgendeine Weise Energie aufnimmt - zum Beispiel, weil das Atom, in dem es sich befindet, mit einem anderen Atom zusammenstößt - kann es auf ein höheres Energieniveau springen. Aber das Atom bleibt nicht lange in diesem angeregten Zustand. Bald verliert das Elektron die Energie wieder, indem es auf ein niedrigeres Niveau zurückfällt. Nach der Quantentheorie wird die Energie als ein Lichtimpuls ausgesandt, der als Photon bezeichnet wird. Je größer die Energieänderung ist, desto kürzer ist die Wellenlänge des Lichts.

Da ein Linienspektrum nur bestimmte Wellenlängen enthält, gibt es Hinweise darauf, dass nur bestimmte Energieänderungen innerhalb des Atoms stattfinden - und daher nur bestimmte Energieniveaus erlaubt sind.

Elementarteilchen


Teilchenbeschleuniger
Das Bild zeigt einen Ausschnitt des ATLAS Detektors am CERN. Dort werden mit Elektromagneten die Teilchen auf einer Kreisbahn von über 27 km Länge auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt.

Elementarteilchen gewöhnlicher Materie
Elektron Ladung eines Elektrons: -1
Up-Quark (u) Ladung eines Up-Quarks: +2/3
Down-Quark (d) Ladung eines Down-Quarks: -2/3

Ein Elementarteilchen ist ein Teilchen, das nicht aus anderen Teilchen besteht. Ein Atom ist nicht elementar, weil es aus Elektronen, Protonen und Neutronen besteht. Aber sind diese drei dann auch elementar? Um diese und andere Fragen zu beantworten, führen Wissenschaftler Experimente mit Teilchenbeschleunigern durch. Sie schießen hochenergetische Teilchen (wie etwa Protonen) auf Atomkerne oder auf andere Teilchen und beobachten dann, welche neuen Teilchen bei den Kollisionen entstehen.

In solchen Experimenten entstehen neue Teilchen, wenn die Energie in Masse umgewandelt wird. Die meisten dieser Teilchen existieren jedoch nicht in den Atomen gewöhnlicher Materie.


Proton Neutron
Ein Proton besteht aus 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark Ein Neutron besteht aus 2 Down-Quarks und 1 Up-Quark
Proton besteht aus 2 Up-Quarks und 1 Down-Quark Neutron besteht aus 2 Down-Quarks und einem Up-Quark
Gesamte relative Ladung: + 1 Gesamte relative Ladung: 0

Einzelne Quarks wurden bei den Experimenten nie direkt nachgewiesen. Ihre Existenz kann man aber aus den Eigenschaften anderer Teilchen ableiten - zum Beispiel, wie hochenergetische Teilchen bei der Kollision mit andern Teilchen gestreut werden.

Quarks ändern sich beim Beta-Zerfall

Wissenwertes über den Zerfall von Atomkernen
Der Zerfall eines instabilen Atomkerns wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Beim Beta-Zerfall wird ein Beta-Teilchen aus dem Kern rausgeschossen. In den meisten Fällen ist dieses Teilchen ein Elektron (-). Seltener jedoch ist es ein Positron (+) - ein Antiteilchen mit der gleichen Masse wie ein Elektron, aber entgegengesetzter Ladung.

In der häufigsten Form des Beta-Zerfalls zerfällt ein Neutron zu einem Proton, einem Elektron (dem Beta-Teilchen) und einem Antineutrino:

$\mathrm {\text Neutron \longrightarrow Proton + Elektron + Antineutrino}$

Diese Gleichung kann man auch so darstellen, dass die Quarks mit angezeigt werden:

$ \begin{array}{} \mathrm { Up \ Quark \\ Down \ Quark \\ Down \ Quark } \end{array} \longrightarrow \begin{array}{ccc} \mathrm { Up \ Quark \\ Up \ Quark \\ Down \ Quark } \end{array} \mathrm { + \ Elektron \ + \ Antineutrino } $

Aus der obigen Gleichung kann man sehen, dass diese Art von Beta-Zerfall auftritt, wenn ein Down-Quark wie folgt in ein Up-Quark umgewandelt wird:

$ \begin{array}{lc} \mathrm { Down \ Quark \ \longrightarrow \\ \qquad (- \frac {1}{3}) } \end{array} \begin{array}{lc} \mathrm { Up \ Quark \ + \\ \quad (+ \frac {2}{3}) } \end{array} \begin{array}{lc} \mathrm { Elektron \ + \\ \quad (-1) } \end{array} \begin{array}{lc} \mathrm { Antineutrino \\ \qquad (0) } \end{array} $

Die relativen Ladungen unter der Gleichung zeigen, dass sich die Gesamtladung nicht ändert. Mit anderen Worten, die Ladung bleibt erhalten.

In der weniger häufigen Form des Beta-Zerfalls zerfällt ein Proton zu einem Neutron, einem Positron (dem Beta-Teilchen) und einem Neutrino. Dies geschieht, wenn ein Up-Quark im Proton in ein Down-Quark umgewandelt wird.


Fragen

1. Wenn ein Elektron in einem Atom auf ein niedrigeres Energieniveau zurückfällt, verliert es Energie.

  1. Was geschieht mit dieser Energie?
  2. Wenn der Unterschied zwischen den beiden Energieniveaus größer wäre, wie würde dies die Wellenlänge des ausgestrahlten Lichts beeinflussen?
  3. Warum senden Atome nur Licht mit bestimmten Wellenlängen aus?

Richtig ist:

  1. Die Energie wird als Photon abgestrahlt.
  2. Die Wellenlänge des Lichts würde sich verkürzen.
  3. In einem Atom finden nur bestimmte Energieänderungen statt. Das heißt, dass die verschiedenen Atome nur ganz bestimmte Wellenlängen von Licht aussenden.

Richtig ist:
Ein Elementarteilchen besteht aus keinen weiteren Teilchen.

Richtig ist:
Elektronen und Quarks.

Richtig ist:
Ein Neutron besteht aus 2 Down-Quarks und 1 Up-Quark. Zieht man von der Teilladung des Up-Quarks ($+\frac{2}{3}$) die Teilladungen der beiden Down-Quarks ($- \frac{1}{3} \ \cdot \ 2$) ab, erhält man eine relative Ladung von 0

Richtig ist:
Manchmal kommt es vor, dass beim Beta-Zerfall ein Up-Quark des Protons in ein Down-Quark umgewandelt wird. So entsteht kein Elektron, sondern ein Positron mit entgegengesetzter +Ladung zum Elektron).


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