Struktur der Materie

Charakteristische Größen und Dimensionen

Teilchen	Staubteilchen	Atom	Elektron	Kern	Kernbausteine (Proton, Neutron)	Quarks
Ausdehnung (in m)	10^-6	10^-10	10^-18	10^-14	10^-15	<10^-18
Masse (in kg)	10^-15	10^-27 (Wasserstoff)	10^-30	10^-27...10^-29	10^-27	10^-30... 10^-28
Entdeckung		19. Jh. (Dalton) Ölfleckversuch	1897 (Thomson)	1911 (Rutherford)	1919 Proton (Rutherford) 1932 Neutron (Chadwick)	1969 (up) ... 1995 (top)
experimenteller Hinweis/Nachweis		Gesetz der multiplen Proportionen z.B. 16g O + 2g H = 18g H₂O	Kathodenstrahlen	Streuexperiment	Kernumwandlungen (Rutherford: Stickstoff -> Sauerstoff)	Streuung von Elektronen an Protonen
Nachweisgeräte	Mikroskop Filter	Feldelektronenmikroskop Rastertunnelmikroskop	z.B. Fluoreszenzschirm	z.B. Fluoreszenzschirm	Nebelkammer	Beschleunigerring mit Magnetkammer
charakteristische Energien		0,03 eV (Gas: W_kin=3/2 kT)	3 eV (Austrittsarbeit aus Aluminium)	2 MeV (Energie der alpha-Teilchen für den Beschuss der Goldfolie)	200 MeV (werden frei bei der Spaltung Uran-235)	10⁶ MeV (W_kin pro p/p^- bei Kollision)

1 eV = 1,6*10^-19J
1 eV/c² = 1,8*10^-36 kg

Ordnung schaffen

Mehrfach hat es in den Naturwissenschaften reduktionistische Erklärungsversuche gegeben, mit denen eine große Zahl von Phänomenen mit Hilfe eines tiefer liegenden (elementareren) Teilchenmodells erklärt werden konnte. Der Begriff „elementar“ gewann jedes Mal eine neue Bedeutung. Ausgehend von einer steigenden Zahl unverbunden nebeneinander stehender Ergebnisse wird eine elementare Struktur vorgeschlagen, die zu Verständnis und weiteren Vorhersagen führt. Zu immer kleineren Teilchen und immer höheren Energien übergehend, sind für die Physik folgende Schritte bedeutsam. (Ausgangspunkt ist die Erkenntnis, dass chemische Verbindungen sich aus ca. 100 Elementsorten bilden.)

Die erste Konsolidierung: Das Hülle-Kern-Modell erklärt das Periodische System der Elemente (ca. 1910)

Die Vielzahl der Elemente, ihre chemischen Eigenschaften und Ähnlichkeiten innerhalb der Elementfamilien, auch ihre Spektrallinien werden durch das Elektronenschalenmodell erklärt.
Stichworte: Kern, Hülle, Elektron, Schale, Quantenzahlen (Haupt-, Neben-, magnetisch, Spin), Pauli-Prinzip, Bindungsenergie, Bindungselektronen
Typische Energien: eV (Licht) bis keV (Röntgen)
Behandlung: Auffrischung aus der Chemie, evtl. 2 Elementfamilien vergleichen, mit Rutherford Abschätzung der Größenordnungen

Die zweite Konsolidierung: Das Kernmodel mit Proton, Neutron, starker und schwacher Wechselwirkung erklärt die Dynamik der Nuklidkarte (ca. 1950)

Die Stabilität und die Zerfallswege von Nukliden, Energieabschätzungen und Kernreaktionen werden durch ein Modell mit je 2 Baryonen, Leptonen und Neutrinos erklärt.
Stichworte: Massendefekt, Bindungsenergie(-kurve), Fusion, Spaltung, Zerfallsreihen
Typische Energie: MeV • Behandlung: Massenspektrometer, Rechnen mit Massendefekt, Spaltung und Fusion (? schon in 10?), Nuklidkarte

Die dritte Konsolidierung: Das Standardmodell erklärt den Teilchenzoo (ca. 1970)

Die ca. 200 beobachtbaren „Teilchen“ werden als Kombination von je drei Familien von Quarks und Leptonen sowie Wechselwirkungsbosonen erklärt.
Stichworte: 6 Quarks, 6 Leptonen, Austauschteilchen, Fermionen, Bosonen
Typische Energien: GeV