Hallo da bin ich wieder.
Das ist heute aber mal ein schlechtes Wetter....Aber zurück zur Physik. Genau genommen zur etwas aktuelleren Teilchenphysik. Wie man jetzt immer in den Medien sehen kann, ist überall die Rede von dem mysteriösen Higgs-Teilchen, dessen angebliche Entdeckung die Forscher des CERN  am 4.07 veröffentlicht haben. Dabei handelt es sich um eine bahnbrechende Entdeckung in der modernen Physik.
Aber was genau ist dieses Higgs-Teilchen? Was macht es so besonders? Und warum hat es von dem theoretischen Ansatz des Teilchens bis zu seiner tatsächlichen Entdeckung über 50 Jahre gebraucht?

Gehen wir erstmal auf den "Sinn" des Higgs-Teilchens ein. Bei dem Higgs-Teilchen handelt es sich grob gesagt, um das Teilchen, was allen anderen Teilchen ihre Masse gibt, klingt komisch ist aber so!

Wie genau das funktioniert kann man anhand eines einfachen Beispiels erklären:

Stellt euch vor, ihr steht inmitten einer Party. Alle Gäste sind gleichmäßig verteilt. Wenn jetzt ein Prominenter den Raum durchquert, so scharen sich die Gäste um diesen Prominenten, der in seiner Bewegung durch den Raum ausgebremst wird. Hier eine wunderschöne Abblidung :D :

Versuchen wir jetzt mal diese Grafik zu interpretieren: Die Gäste (blaue Teilchen) sind das sogenannte Higgs-Feld. Dieses Feld muss überall existieren, sonst gäbe es an einem Ort im Universum keine Masse...und das sähe ziemlich dumm aus. Der Prominente (das rote Teilchen) ist jetzt ein Teilchen, was sich durch das Higgs-Feld bewegt. Da es sich langsamer bewegt, da es durch das Feld gehemmt wird, kann man das als Trägheitszunahme interpretieren. Und Trägheit ist eine Eigenschaft der Masse. Daraus folgt, dass Teilchen hat jetzt Masse. Eigentlich haben die W+- und Z0 Bosonen (siehe Blogpost über Standardmodell) keine Masse, das geht eigentlich aus der Formel hervor. Allerdings hat mann diese Teilchen mit Masse beobachtet. Daraus folgt, dass sie mit dem Higgs-Feld reagiert haben müssten, um diese Masse zu erlangen.

Das ist der sog. Higgseffekt.

Aber wieso hat es solange gedauert, um dieses Teilchen, den Repräsentanten des Higgs-Feldes, zu messen/erzeugen?

Man muss das so sehen: Das Higgs-Teilchen ist ein , verglichen, schweres Teilchen. Um solche Massen zu erzeugen, braucht man viel Energie, also sehr große Beschleuniger. Deshalb war die Welt in 2008 auch so aufgeregt, als der LHC fertiggestellt wurde. Denn der LHC ist der größte und energiereichste Beschleuniger der Welt. Also eine perfekte Vorraussetzung um das Higgs-Teilchen zu finden.

Ich hoffe wie immer, dass es euch gefallen hat.

Auf gehts zu der wirklichen Alltagsphysik.
Wie funktioniert die Sonne ?

Dazu muss man erstmal wissen woras die Sonne besteht. Aus Wasserstoff. Viel Viel Wasserstoff.
Genau genommen aus Wasserstoff Isotopen. Aus Deuterium und Tritium. Jeder der den letzten Post gelesen hat, kann mit den beiden Begriffen was anfangen. Man muss sich jetzt folgendes Vorstellen. In der Sonne herrscht eine unvorstellbar hohe Temperatur 15 Millionen Grad Celsius! Und auch der Druck innerhalb der Sonne ist ziemlich groß. 200 Millionen bar, das ist das 200 Millionen fache des normalen Atmosphärendrucks! Unter diesen Bedingungen sind verschiedene Dinge möglich. Teilchen können miteinander verschmelzen. Schauen wir uns die Grafik an:

Man sieht, dass Deuterium und Tritium sich verbinden. Überlegen wir mal. Deuterium hat 1Proton und 1Neutron. Tritium hat 1Proton und 2Neutronen. Wenn sich beide komplett addieren, dann hätte man ein Atom mit einer Masse von 5u. Aber Helium hat eine Masse von 4u. Das 5u kann man dann als 4u + 1 freies Neutron schreiben. Ist ja genau das gleiche, massentechnisc betrachtet. Allerdings bleibt auch ein wenig Restenergie übrig. Diese Energie resultiert aus der Bindungsenergie zwischen den Teilchen. Den zwischen den Protonen und Neutronen herrschen Bindungsenergien, die den Kern zusammenhalten. Und von dieser Überschussenergie, die bei dieser Reaktion entstanden ist, leben. wir. Jetzt muss man sich vorstellen, dass das eigentlich ziemlich wenig Energie ist. Aber wir haben auch eine sehr kleine Reaktion betrachtet. Normalerweise fusioniert die Sonne tausende an Tonnen von Wasserstoffisotopen pro Sekunde.  So funktioniert unsere Sonnne. Und wenn alle Wasserstoffisotope aufgebraucht sind, dann fusioniert sie das Helium usw...


Ich hoffe es hat euch auch diesmal gefallen.

Hallo und da bin ich wieder.....
Ich hoffe euch haben die letzten Posts gefallen.

Heute wollen wir ein wenig über Kernphysik reden. Als erstes müssen wir uns dafür einen Atomkern vorstellen. Als erstes nehmen wir den Wasserstoff. Das erste Element im Periodensystem. Er hat ein Elektron in der Hülle und ein Proton im Kern und ist neutral geladen. Die Zahl der Protonen wird als Kernladungszahl bezeichnet.

Man sieht, dass normalerweise kein Neutron im Kern ist. Jetzt betrachten wir ein sogenanntes Isotop des Wasserstoffs: Das Deuterium. Deuterium besteht genau wie der normale Wasserstoff aus einem Proton   und einem Elektron. Zusätzlich dazu hat er aberein Neutron mehr. Wenn wir die Ladung dieses Atoms betrachten haben wir auch wieder ein neutrales Atom. Das liegt daran, dass zu dem eigentlich neutral geladenem Wasserstoff ein neutrales Neutron hinzugefügt wird, sich an der Ladung also nichts ändert.

Was sich aber ändert ist die Masse des Teilchens. Wasserstoff wiegt normalerweise 1u. Diese Einheit u steht  stellvertretend für 1,66*10^-27kg. Aber nicht nur das Proton wiegt 1u sondern auch das Neutron wiegt 1u (das Elektron hat auch eine Masse, fällt aber mit einer Masse von 0,0005u nicht sonderlich ins Gewicht). Man kann jetzt die Masse eines Atoms berechnen. Dazu addiert man die Zahl der Protonen und die der Neutronen auf. Das wird dann als Massenzahl bezeichnet. Wenn unser Wasserstoff im Normalfall 1,0005u (also ein 1u) wiegt, dann wiegt das Deuterium 2,0005u (also 2u). Das ist das doppelte. Und das ist die Besonderheit der Isotope. Ihre Ladung ist genau die gleiche, wie die ihres Ausgangsatoms(in dem Fall Wasserstoff). Aber die Masse verändert sich, sie wächst immer um die Anzahl der Neutronen, die hinzugefügt werden. Es gibt noch ein weiteres Isotop von Wasserstoff: Das Tritium. Tritium besteht aus einem Elektron, einem Proton und 2 Neutronen. Dadurch hat es dann eine Masse von 3u!.

Das sind die Isotope von Wasserstoff. Als Merksatz:


"Isotope sind die Ursprungsatome mit veränderter Neutronenanzahl."

Diese Isotope werde ich im nächsten Blogpost ansprechen, wo es wirklich um "Alltagsphysik" geht.

Wie immer hoffe ich, dass es euch gefallen hat.

Aber wozu gehört jetzt das Elektron ?
Das Elektron ist schon ein Elementarteilchen, und dadurch nicht weiter teilbar. Das Elektron gehört zu der Gruppe der Leptonen. Diese Gruppe besteht auch wie die Gruppe der Quarks aus 6 Teilnehmern. Diese heißen :Elektron,Tauon, Myon, Elektron-Neutrino, Tauon-Neutrino, Myon-Neutrino. Auch diese Teilchen kommen in der Natur vor, allerdings nicht in der Materie die wir gewohnt sind. Diese Materie besteht nur aus up,- und down-Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen zusammengesetzt sind und aus Elektronen, aus denen die Atomhülle besteht. Die Leptonen spielen vorallem bei Wechselwirkungsprozessen, wie sie in der in der Sonne stattfinden, eine wichtige Rolle.


Nun zur letzten Gruppe: Den Wechselwirkungsteilchen. Mit diesen Teilchen kommt man eher selten in "Kontakt", obwohl sie in der gesamten Welt überall sind. Wir haben in der Natur 4 Wechselwirkungen:
Die Starke Wechselwirkung, die schwache Wechselwirkung, die elektromagnetische Wechselwirkung und die Schwerkraft. Die Schwerkraft lassen wir erstmal draußen. Diese Wechselwirkungsteilchen sind die Teilchen dieser Wechselwrkungen.  Das erste ist das Photon.  Der Name verrät eigentlich schon alles: Photos= Licht. Und Licht ist eine elektromagnetische Welle. Das Photon ist das Austauschteilchen der elektromagn. Wechselwirkung. Wenn man Licht aussendet, dann kommen da entweder Lichtwellen oder Lichtteilchen raus, das hängt von der Situation der Beobachtung ab. Photonen sind sogar in der Lage Elektronen aus Metall herauszuschlagen. Dieser Effekt wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet ( für den hat Albert Einstein seinen Nobelpreis bekommen, und nicht für die Relativitätstheorie). Das Photon ist auch das einzige Teilchen, was sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, da es eine Ruhemasse von 0 hat. Schlussfolgerung: Es steht nie!
Licht bewegt sich immer, man kann es nur bremsen.


Zum nächsten Austauschteilchen. Das Gluon ist das Teilchen der starken Wechselwirkung und klebt die Quarks im Innern der Teilchen aneinander.


Das W+- und das Z0 Boson sind die Teilchen der schwachen Wechselwirkung die für den Zerfall von Atomkernen verantwortlich ist.


Das ware die letzte Gruppe. Aber wovon ?
Das waren die Gruppen des "Standardmodells der Teilchenphysik".
Das ist eine Zusammenstellung aller Elementarteilchen analog zu dem Periodensystem der Elemente.
So sieht das dann in einer Tabelle aus:

Ich hoffe es hat euch gefallen.Wenn ihr Fragen habt, immer Fragen stellen.

Das interessante ist jetzt nicht der genaue Aufbau des Atomkerns selber, sondern der Aufbau des Protons oder der Neutrons, denn Protonen und Neutronen lassen sich noch weiter zerlegen.Wenn man jetzt noch tiefer reinschaut bestehen Protonen und Neutronen selber aus Teilchen, den sogenannten Quarks. Diese Teilchen lassen sich nach jetzigen Kenntnissen nicht weiter zerlegen und sind daher Elementarteilchen. Von diesen Quarks gibt es ein paar, nämlich streng genommen 6 Stück. Die haben auch Namen: up, down, charme, strange, top, bottom. Aus diesen 6 Quarks setzen sich andere Teilchen wieder zusammen. Aber nicht nur aus Quarks sondern auch aus Antiquarks. Antiteilchen sind genau das gleiche wie normale Teilchen, nur haben Antiteilchen die entgegengesetzte Ladung. Ein Anti-Elektron(auch Positron genannt) hat die Ladung : +1, da ein Elektron die Ladung :-1 hat. Genau das Gleiche gilt auch bei den Quarks. Diese 6 Quarks sind also der eine Teil des Baukastens, mit dem man schon einwenig üben kann. Zum Beispiel ergeben 2 up-Quarks und 1 down-Quark ein Proton. Die Rechnung ergibt sich wie folgt. Jedem Quark ist eine eine Ladung zugeordnet, wie dem Proton die Ladung +1 zugeordnet ist, so haben auch Quarks eine Ladung. Diese Ladung kann man in einer Tabelle nachschlagen, dass ist u,m einiges einfacher, als der Versuch die Ladung selbst zu messen ^^


Die Tabelle kann wie folgt aussehen:

Man kann unschwer ein Muster erkennen. Es gibt einmal die Teilchen, die eine Ladung von +2/3 und die mit der Ladung von -1/3. Man kann diese Elementarteilchen jetzt zu anderen Teilchen zusammenbauen.
Dazu gibt es aber gewisse Regeln:


1.Es müssen immer 3 Quarks oder 3 Antiquarks in einem Teilchen sein
2. Es kann Teilchen geben, die aus einem Quark und aus einem Antiquark


Das sind die ersten Regeln für den Bausatz der Teilchenphysik.


Jetzt bauen wir mal ein Proton zusammen: Wir wissen ein Proton braucht eine Endladung von +1.

Dann nehmen wir 2 up-Quarks und wir sind bei 2*2/3=4/3. Wenn jetzt noch ein down-Quark hinzugefügt wird, haben wir 4/3-1/3=3/3=+1 als Ladung, und das stimmt. Das ist die Quark-Zusammensetzung für das Proton.

Allgemein werden alle Teilchen, die aus 3 Quarks oder aus 3 Antiquarks aufgebaut sind Baryonen genannt und alle Teilchen die aus einem Quark und einem Antiquark zusammengestzt sind werden Mesonen genannt.


Soviel zu den Quarks.

Und weiter geht es..nach einer kleinen (5min) Kaffeepause ^^

Jetzt wollen wir mal auf die Frage eingehen: Womit beschäftigt sich die Teilchenphysik genau?
Jeder halbwegs gescheite Mensch würde jetzt sagen:"Teilchen!".Da stellt sich aber die frage, was genau sind denn Teilchen? Die Dinger vom Bäcker Suckow bestimmt nicht.

Also lasst uns mal eine kleine Reise zu den Teilchen machen. Fangen wir an bei den Aggregatzuständen. Wiederholen wir nochmal die 3 die wir aus der Schule kennen: Fest, flüssig, gasförmig. Was genau beschreiben diese Zustände? Bei dem festen Zustand wurde immer gesagt, dass die Teilchen fest miteinander verbunden sind, und sich deshalb nicht frei bewegen können. Beim flüssigem Zustand haben die Teilchen etwas mehr Spielraum und sind auch schneller. Beim gasförmigen Zustand flitzen die Teilchen wild schnell hin und her und haben viel Bewegungsenergie.

Das waren die Aggregatzustände. Die Teilchen waren dort die kleinen Kugeln.
Aber was genau sind diese kleinen Kugeln? Dafür gehts in den Chemie-Unterricht!

In Chemie hat man gelernt, dass diese Kugeln, aus denen alles besteht, Atome sind. Und diese Atome haben auch einen Aufbau. Da gibt es die Hülle, die negativ geladen ist, und den Kern, der positiv geladen ist. Also ist das geamte Gebilde im Normalfall neutral geladen. Diese negativ geladene Hülle besteht jetzt aus Teilchen , den sogenannten Elektronen,die negativ geladen sind. Der Kern besteht gleich aus 2 verschiedenen Teilchenarten: Einmal aus dem positiv geladenem Proton und dem neutral geladenem Neutron.

Als allererstes die Frage...Was bitte ist Teilchenphysik?

Erstmal eine Vorstellung auf welcher Ebene die Teilchenphysik arbeitet:

Stellt euch vor ihr habt einen Millimeter. 

Nehmt ein tausendstel dieser Länge und ihr habt einen Mikrometer, also einen millionstel Meter.Auf dieser Größenordnung baut man die Leiterbahnen von  Mikrochips, die z.B. in Computer eingesetzt werden.

Wenn ihr den tausendstel Teil eines Mikrometers nehmt, habt ihr einen Nanometer, einen Milliardetel Teil eines Meters. Auf dieser Größenordnung werden die meisten Beschichtungen gefertigt. und die Technologie, die sich mit diesen Größenordnungen auseinandersetzt nennt sich Nanotechnologie. Ein Beispiel für Nanotechnologie ist das sog. Graphen. Bei Graphen handelt es sich eigentlich um eine, ein Atom dicke, Schicht aus Kohlenstoffatomen, die wie eine Bienenwabe, also aus sich verbindenden Sechsecken, aufgebaut ist.  Diese Schicht aus Graphen kann man jetzt auch aufrollen, dann entstehen die Kohlenstoff-Nanoröhren. Auch kann man aus 60 Kohlenstoffatomen einen Ball, das sogenannte Fulleren, bauen. Dieser Ball hat einen Durchmesser von ca. einem Nanometer und ist daher ein guter Vergleich.

Wenn wir jetzt den tausendsten Teil eines Nanometers nehmen, dann haben wir einen Pikometer, den billionensten Teil eines Meters. Und wenn wir diesen Pikometer nochmal durch 1000 teilen und dann einen Teil davon nehmen, dann haben wir einen Femtometer. Und das ist die Größenordnung auf der die Teilchenphysik arbeitet. Wenn man sich zurück an die Schule erinnert weiß man ja, dass ein Atom aus einer Hülle und einem Kern besteht. Die Hülle ist negativ geladen und der Kern ist positiv geladen. In der Hülle und in dem Kern sind aber Teilchen. In der Hülle sind Elektronen, die negativ geladen sind. Im Kern sind einmal die Protonen, die positiv geladen sind, und die Neutronen, die neutral geladen sind. Und ihr habt gesehen, der Begriff Teilchen ist hier schon gefallen. Einen Femtometer kann man gut als Größe eines Protons annehmen.

Ich hoffe euch hat dieser Teil zur Teilchenphysik gefallen. Es kommen auch noch weitere Teile!
Auch werde ich noch ein paar Posts zu Nanotechnologie machen und zu dem Atomkern. Aber ihr könnt mir, wenn ihr wollt, auch "Wünsche" schicken.