Atome und Teilchen (2)

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.

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

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.

Elementarteilchen gewöhnlicher Materie
Elektron
Up-Quark (u)
Down-Quark (d)

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

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