Die Physik des Allerkleinsten

von http://ltp.web.psi.ch/ltp_home/outreach.html
Aufbau eines Atoms aus den Elementarteilchen Elektron und Quark

Wenn wir vom "Allerkleinsten" sprechen, so meinen wir damit die - nach heutigem Wissensstand - kleinsten Bausteine, aus denen alles um uns herum, das gesamte Universum, aufgebaut ist.


Bereits die alten Griechen vermuteten, dass Dinge nicht bis in alle Unendlichkeit teilbar sind, sondern, dass man irgendwann auf das Unteilbare (griech. ἄτομος / átomos) stößt. Von diesem griechischen Begriff leitet sich der moderne Begriff "Atom" ab - allerdings wissen wir schon längst, dass ein Atom alles andere als unteilbar ist. Es baut sich auf aus einer Atomhülle, die je nach Element aus verschieden vielen Elektronen besteht, und einem Atomkern. Interessant sind dabei die Größenverhältnisse: während die Hülle (und damit das Atom selbst) typischerweise 10-10m durchmisst (das ist ein Zehnmillionstel Millimeter), ist der Kern noch etwa zehntausendmal kleiner. Wäre der Atomkern ein Fußball, so wäre die Atomhülle so groß wie etwa 440 Fußballfelder.


Elektronen lassen sich relativ leicht aus einem Atom entfernen (man spricht von Ionisierung), alleine schon deshalb ist ein Atom nicht wirklich "unteilbar". Aber auch der Kern lässt sich weiter zerlegen: zunächst stellt man fest, dass er aus zwei verschiedenen Arten von Teilchen besteht, den Protonen und den Neutronen. Während Neutronen elektrisch neutral sind, tragen Protonen eine positive Ladung. In einem nicht ionisierten Atom gibt es genau gleich viel (negativ geladene) Elektronen in der Hülle wie Protonen im Kern - diese Anzahl ist die Ordnungszahl des Atoms und bestimmt damit, um welches Element es sich dabei handelt. Es stellt sich heraus, dass ein Kern, der nur aus Protonen besteht, nicht stabil wäre, deswegen werden als "Kitt" auch immer umso mehr Neutronen benötigt, je mehr Protonen ein Kern enthält.

Während nach heutigem Wissensstand Elektronen nicht weiter zerlegbar sind (und damit ein erstes Beispiel für echte Elementarteilchen sind), verhielten sich Protonen (und auch Neutronen) im Experiment so, als ob in ihrem Inneren noch weitere, kleinere Bausteine wären. Trotzdem gelang es nie, Protonen in diese Bausteine zu zerlegen. Heute wissen wir, dass es diese kleinen Bausteine tatsächlich gibt - jedes Proton bzw. Neutron besteht aus je drei Quarks. Und wir verstehen sogar den Grund, wieso es prinzipiell nicht gelingen kann, einzelne Quarks aus einem Proton herauszulösen - dazu später mehr im Abschnitt Elementarteilchen. Dort zeigt sich auch, dass es wesentlich mehr Elementarteilchen gibt als jene, aus denen sich unsere Alltagswelt zusammensetzt.


Im Abschnitt Geschichte geben wir einen groben Überblick über wichtige Entdeckungen im Bereich der Elementarteilchenphysik. Der eben erwähnte Abschnitt Elementarteilchen beschreibt im Überblick unser heutiges Wissen über die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen, das sog. Standardmodell. Faszinierenderweise stellt sich heraus, dass beim Blick ins Allerkleinste auch das Allergrößte eine Rolle spielt - diese Zusammenhänge werden im Abschnitt Kosmologie diskutiert.