Teilchenphysik

Question 0

Gesetz von Avogadro (ital. Physiker - 1811 n. Chr.)

Answer 0

zwei gleich große Gasvolumina (gleicher Druck und Temperatur) haben immer die gleiche Teilchenzahl.
Auch wenn die Volumina verschiedene Gase enthalten!!

Question 1

Brownsche Bewegung:

• Wann entdeckt?
• Von wem?
• Was ist sie?

Answer 1

• 1827 n. Chr.
• Robert Brown (schottischer Botaniker)
• Wärmebewegung von Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen (Ausmaß der Bewegung ist temperaturabhängig)

Question 2

Loschmidt-Konstante?

Josef Loschmidt - österr. Physiker - 1865 n. Chr.

Answer 2

= Anzahl der Moleküle pro Volumeneinheit Gas = Konstante Teilchenzahl
= 2,68 x 10^22 Teilchen/Liter

Question 3

Gay-Lussac (franz. Physiker - 1800 n. Chr.): “Gesetz der multiplen Volumina”

Answer 3

2 L Wasserstoff + 1 L Sauerstoff = 2 L (!) Wasserdampf

= 2 H2 + 1 O2 = 2 H2O

Question 4

Welches sind die 4 Grundkräfte der Physik?

Answer 4

1. starke Kernkraft (starke Wechselwirkung)
2. schwache Kernkraft (schwache Wechselwirkung)
3. Elektomagnetismus
4. Gravitation

Question 5

Isotope:

1) Wie verhält sich ihre elektrische Ladung?
2) Was ist anderst im Vergleich zum “normalen” Element?
3) Wie sind ihre chemischen Eigenschaften?

Answer 5

1) Isotope sind elektrisch neutral (gleiche Anzahl von Elektronen und Protonen) wie alle Elemente
2) Isotope haben aber mehr Neutronen (sind also schwerer)
3) Chemisch verhalten sie sich gleich wie die “normalen” Elemente

Bsp.:
Sauerstoff: 16-O (8 Protonen, 8 Neutronen, 8 Elektronen)
Isotope: 17-O oder 18-O (1 oder 2 Neutronen mehr, also schwerer)

Question 6

1) “Vater der Quantenmechanik”?
2) Wann entdeckt?
3) Anekdote:

Answer 6

1) Max Planck
2) 1900 n. Chr.
3) Ihm wurde von einem Prof. abgeraten Physik zu studieren, da alles Wesentliche bereits entdeckt sei.

Question 7

Was sind Nukleonen?

Answer 7

Bausteine des Atomkerns,
also jene Teilchen, aus denen Atomkerne bestehen,
nämlich Protonen und Neutronen.

Question 8

Quarks:

Aus wievielen Quarks bestehen Protonen und Neutronen?

Answer 8

je aus 3 Quarks:

Protonen : 2 up-Quarks + 1 down-Quark (p uud)

Neutronen : 2 down-Quarks + 1 up-Quark (n udd)

Question 9

Was sind Hadronen?

Answer 9

Der “starken Wechselwirkung” unterworfene Teilchen

2 Typen:

• Mesonen (ganzzahliger Spin = Bosonen)
• Baryonen ( halbzahliger Spin = Fermionen)

Aus Quarks zusammengesetzt (Mesonen = 2 Quarks, Baryonen = 3 Quarks)

Bsp: Nukleonen (Neutronen und Protonen) sind Baryonen

Question 10

Quarks - wie heißen …

1) 2-er Verbände ?
2) 3-er Verbände ?

Answer 10

1) Mesonen (2-er Verband)

2) Baryonen (3-er Verband) –> wie z. B. das Proton und Neutron

Question 11

Was sind Elementarteilchen?

Answer 11

die kleinsten bekannten Bausteine der Materie …

= Quarks, Leptonen, Eichbosonen, Higgs-Boson

• sechs Quarks,
• sechs Leptonen,
• die Eichbosonen (Austauschteilchen) und das
• Higgs-Boson

Question 12

Licht:

1) Sichtbarer Wellenbereich?
2) Darunter?
3) Darüber?

Answer 12

1) 400 - 700 nm
2) ultraviolettes Licht < 400 nm
3) Infrarotlicht > 700 nm

Question 13

Kürzeste im Universum mögliche Distanz?

Answer 13

Planck-Länge: 10 ^ -33 cm (10^ -35 m)

Question 14

1) Was sind “Fermionen”?
2) Was gehört zu den Fermionen?
3) Nach wem benannt?

Answer 14

1) diejenigen Teilchen, aus denen die Materie besteht

2)
a) Elementarteilchen:
- Leptonen (z.B. Elektron, Neutrinos)
- Quarks
b) zusammengesetzte Teilchen:
- mit ungerader Anzahl Quarks aufgebaute Teilchen (z.B. alle Baryonen -> wie Protonen und Neutronen)

3) Enrico Fermi (ital. Kernphysiker, Nobelpreis 1938)

Question 15

1) Was sind “Bosonen”?
2) Was gehört zu den Bosonen?
3) Nach wem benannt?

Answer 15

1) diejenigen Teilchen, welche die Kräfte zwischen den Fermionen, den Materieteilchen, vermitteln

2)
a) Elemtarteilchen:
- Eichbosonen (Vermittler der Grundkräfte) = Gluonen, Photon, W- und Z-Boson, Higgs-Boson
b) zusammengesetzte Teilchen:
- Mesonen (= Quark + Antiquark)
- Atomkerne mit gerader Nukleonenzahl
- Quasiteilchen (wie z.B. Photonen)

3) S. Bose (indischer Physiker)

Question 16

Was sind “Van der Waals-Kräfte”?

Answer 16

Die Kräfte zwischen Atomen (oder Molekülen). Sie können aus den elektrischen Kräften zwischen Elektronen und Kern abgeleitet werden.

Question 17

Was sind Baryonen?

Answer 17

Baryonen (altgr. barýs “schwer” - analog zu den
„leichten“ Leptonen und den
„mittelschweren“ Mesonen)
sind Elementarteilchen, die aus jeweils drei Quarks bestehen.

Zur Klasse der Baryonen gehören unter anderem das Proton und das Neutron (Sammelbegriff: Nukleonen) sowie eine Reihe weiterer, schwererer Teilchen, die so genannten Hyperonen.

Question 18

Was sind Eichbosonen?

Answer 18

Die Eichbosonen übertragen die verschiedenen Kräfte, übermitteln also die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen (Materie-) Teilchen. Deshalb werden sie oft auch als Austauschteilchen bezeichnet.

• das Photon, das die elektromagnetische Wechselwirkung überträgt.
• die 8 Gluonen der starken Wechselwirkung und
• die W+- und Z-Bosonen der schwachen Kernkraft
• das Graviton als Eichboson der (Quanten-)Gravitation.

Question 19

Rutherford’sche r Streuversuch:

Answer 19

Alpha-Teilchen (aus radioaktivem Zerfall ≙ Atomkerne von Heliumatomen) auf Goldfolie geschossen

Ergebnis:

• sie durchdringen fast ungehindert die Goldfolie
• nur wenige werden abgelenkt

d.h. Atome bestehen im Wesentlichen aus leerem Raum mit einem kleinen sehr massigen positiv geladenem Objekt (Atomkern) -> Atomkern ist 10.000-stel des Atoms, aber fast gesamte Masse

Question 20

Atomgröße?

Answer 20

Ca. 1 Angström ≙ 1 Atom

10 Mio Angström = 1 mm

Question 21

Photoelektrischer Effekt:

1) Was ist das?
2) Wer entdeckte ihn und bekam dafür 1922 den Nobelpreis

Answer 21

1) Lichtquanten (Photonen) sind in der Lage Elektronen aus einer Metallplatte herauszulösen
2) Albert Einstein

Question 22

Wer ist der “Vater” der Stringtheorie?

Answer 22

Gabriele Veneziano, geb. 1942 in Firenze

Question 23

1) Was sind “Leptonen”?

2) Wieviel Leptonen gibt es?

Answer 23

1) Klasse von Elementarteilchen, von denen man annimmt, dass sie zusammen mit den

• Quarks und den
• Eichbosonen

die fundamentalen Bausteine bilden, aus denen sich die Materie zusammensetzt

2) Es gibt 6 Leptonen:
- Elektron
- Elektron-Neutrino
- Myon
- Myon-Neutrino
- Tauon
- Tauon-Neutrino

Question 24

Welches sind die Grundbausteine der Materie?

Answer 24

1) Leptonen (dazu gehören auch die Elektronen)
2) Quarks
3) Eichbosonen (Kraftübertragungsteilchen)

Question 25

Elementarteilchen?

Answer 25

- Quarks (6)
[-> Baryonen (3Q) + Mesonen (2Q) sind Hadronen]
- Leptonen (6)
- Eichbosonen
- Higgs-Boson
- Elektronen

Question 26

1) Was ist ein “Hertz” (Hz)?
2) Bandbreite der Schwingungen am Klavier?
3) Bandbreite des menschlichen Gehörs?

Answer 26

1) Einheit für die Frequenz (1 Hz = 1 Schwingung/sec)
2) von 27 Hz (tiefster Ton) - 4186 Hz (hellster Ton)
3) 16 Hz - 20 000 Hz (entspricht einer Wellenlänge von 21 m - 17 mm) -> Speed 330 m/s = Hz x m (16 Hz x 21 m = 336 m/s)

Question 27

1) Wie setzt sich die Schallgeschwindigkeit zusammen?

2) Wie hoch ist die Schallgeschwindigkeit in Luft?

Answer 27

1) Schallgeschwindigkeit = Frequenz (Hz) x Wellenlänge (m)

3) 330 m/sec

Question 28

1) Aus welchen Elementarteilchen besteht die Materie?

2) Aus wie vielen Quarks besteht der Mensch?

Answer 28

1) Fermionen:
- Quarks (Down-Quarks und Up-Quarks)
=> Protonen und Neutronen (= Nukleonen)
- Elektronen
- Neutrinos
=> also 4 Typen: Down-Quarks, Up-Quarks, Elektronen, Neutrinos

2) 10^29 Quarks

Question 29

Elementarteilchen:

Answer 29

Elementarteilchen:

1) Fermionen (Spin 1/2)

      - Quarks (6 Typen)
      - Leptonen (6 Typen)

2) Bosonen (Austauschteilchen) - (Spin 1)

      - Photon (elektromagnetische Kraft)
      - Gluon (starke Kernkraft)
      - W und Z-Teilchen, (schwache Kernkraft)
      - Graviton (?) (Schwerkraft)

+ Antiteilchen

+ Higgs-Bosonh

Question 30

Was versteht man unter der “starken Kraft” der 4 Grundkräfte?

Answer 30

Zwischen den positiv geladenen Protonen wirken ja die Coulomb-Abstoßungskräfte. (Betrachten wir Helium: Es besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Es muss eine Kraft geben, die stärker ist als die Abstoßung zwischen den beiden positiv geladenen Protonen).
Diese Kraft, welche Atomkerne zusammenhält, nennt man „starke Kraft“.

Question 31

Welches sind die “Kraftüberträger”

(Feldquanten bzw. Eichbosonen bzw. Austauschteilchen) der 4 Wechselwirkungen (der 4 Grundkräfte)?

Answer 31

1. Gravitation: wirkt zwischen Massen; die Feldquanten, die diese Wechselwirkung übertragen, nennt man
   - > Gravitonen.
2. Elektromagnetische Wechselwirkung: Feldquanten, die diese Wechselwirkung übertragen nennt man
   - > Photonen.
3. Schwache Wechselwirkung: Die Feldquanten nennt man
   - > W+, W−, Z° Teilchen
4. Starke Wechselwirkung: Überträger dieser Wechselwirkung sind die
   - > Gluonen.

Question 32

Sind Protonen und Neutronen Elementarteilchen?

Answer 32

Nein, Protonen und Neutronen (Nukleonen) sind keine Elementarteilchen. Sie bestehen aus kleineren Teilchen, den Quarks und diese werden durch Gluonen zusammengehalten!
(Quark-Gluon-Quark-Gluon-Quark)

Question 33

Es gibt drei Gruppen von Elementarteilchen!

1) Welche?
2) Welche Teilchen gehören zu den einzelnen Gruppen?

Answer 33

1) Leptonen, Quarks und Feldquanten (= Eichbosonen bzw. Austauschteilchen))

2)
1. Leptonen (“leptos” bedeutet leicht = leichte Teilchen)
a) Elektron
b) Antiteilchen: Positron
c) Myonen und Tauonen (zerfallen in Elektronen und Neutrinos)
2. Quarks (schwere Teilchen, die niemals einzeln auftreten)
Man kennt 18 verschiedene Quarks
3. Feldquanten (Überträger von Kräften bzw. Eichbosonen bzw. Austauschteilchen)
- Graviton (Schwerkraft)
- Photon (elektromagn. Kraft)
- W- und Z-Teilchen (schwache Kraft)
- Gluon (starke Kraft)

Question 34

1) Was sind Hadronen?

2) Welche 2 Gruppen gibt es?

Answer 34

1) Zusammengesetzte Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind.
- > “hadros” bedeutet stark, für Hadronen ist die starke Wechselwirkung wesentlich, d.h. sie werden aus 2 oder 3 Quarks gebildet.

2) Baryonen und Mesonen
a) Baryonen:
“schwer”, Beispiele dafür sind Protonen und Neutronen.
Sie bestehen aus drei Quarks!
Weitere Beispiele für Hadronen sind z. B. die Sigma-Teilchen Σ+, Σ°, Σ−
b) Mesonen:
Diese bestehen aus einem Quark und einem Antiquark.
Als Beispiel betrachten wir die Pionen π°, π+, π−
Man kennt etwa 30 weitere Mesonen