Teilchen
Als Modell in der Physik
Basiswissen
Als Teilchen bezeichnet man in der Physik oft das kleinstmögliche Element eines Systems, für das man keinen weiteren inneren Aufbau mehr annimmt.
Was ist ein klassisches Teilchen?
- Klassisch heißt hier so viel wie: im Weltbild der Physik bis etwa zum Jahr 1900.
- Klassisch heißt dann aber auch so viel wie: anschaulich, begreifbar, vorstellbar.
- Ein so gedachtes Teilchen hat eine Reihe von klaren Eigenschaften:
- Es hat eine Masse, die man zum Beispiel in Gramm oder Mikrogramm angeben kann.
- Es hat eine eng begrenzte Ausdehnung, es ist nicht verschmiert oder verteilt.
- Wirken keine Kräfte von außen, ändert es seine Bewegung nicht (1. Newtonsches Axiom).
- Teilchen haben zu jedem Zeitpunkt einen bestimmten Aufenthaltsort.
- Teilchen haben zu jedem Zeitpunkt eine bestimmte Geschwindigkeit.
- Teilchen können sich verbinden und voneinander abprallen.
- Teilchen können sich gegenseitig aber nicht durchdringen.
- Teilchen sind zählbar (zum Beispiel mit Geigerzähler).
- Teilchen haben immer einen Impuls (m·v).
- Ihre Form ist nicht wichtig.
- Sie haben aber eine Form.
Was sind typische Teilchen?
- Kleine Gewehrkugeln
- Staubteilchen
- Stromteilchen
- Luftmoleküle
- Atomkerne
Was wären keine typischen Teilchen?
- Eine Wolke, sie kann sich mit anderen Wolken durchdringen.
- Ein Elektron: man weiß nicht, ob es eine Ausdehnung hat.
- Eine Wasserwelle, z. B. kreisförmig: sie hat keine begrenzte Größe.
- Ein elektromagnetisches Feld: es hat keine Masse
Gastheorie als Erfolgsbeispiel
Man kann sich ein (ideales) Gas so vorstellen, als bestünde es aus kleinen kugelförmigen klassisch gedachten Teilchen. Sie fliegen auf geradlinigen Bahnen durch den Raum und können unterschiedlich schnell sein. Für Zusammenstöße gelten feste Formeln. Mit diesem einfachen Modell konnte im 19ten Jahrhundert eine Theorie zur Herleitung von Druck, Temperatur und Dichte von Gases aufgabaut werden. Man muss dazu keinen Annahmen über den inneren Aufbau der Teilchen machen. Mehr dazu unter kinetische Gastheorie ↗
Was ist ein Punktteilchen?
- Punktteilchen nennt man auch Punktmassen oder Massenpunkte.
- Es sind zunächst theoretische Modell: Teilchen mit Masse aber ohne Ausdehnung.
- Man kann zum Beispiel die Bewegung der Planeten so berechnen, ...
- als hätten die Sonne und die Planten Masse, aber keine Ausdehnung.
- Wie groß die Planten sind, spielt für die Formeln keine Rolle.
- Das gilt, so lange die Planeten nicht aneinanderstoßen.
- Ob es echte Punktteilchen in Wirklichkeit gibt, ist unklar.
- Man ist sich zurzeit zum Beispiel unsicher, ob Elektronen eine Ausdehnung haben.
- Mehr dazu unter Massepunkt ↗
Was ist der Welle-Teilchen-Dualismus?
- Um das Jahr 1900 entdeckte untersuchte man verschiedene Strahlungen.
- Man entdeckte zum Strahlung, die sich durch elektrische Felder ablenken lässt.
- Die Strahlung könnte eng im Sinne eines Strahlen auf etwas gerichtet werden.
- Letztenlich fand man heraus, dass sie aus Elektronen besteht.
- Die Elektronen verhielten sich in jeder Weise wie kleine Teilchen.
- Später aber beobachtete man an Elektronen Eigenschaften, die ...
- unmöglich auf ein Teilchen passen können, vor allem: Interferenz
- Die beobachteten Eigenschaften passen aber sehr gut auf Wellen.
- Dass etwas gleichzeitig Teilcheneigenschaften hat, aber ...
- tatsächlich kein klassisch gedachtes Teilchen sein kann, ...
- das nennt man den Welle-Teilchen-Dualismus ↗
Fußnoten
- [1] Natalie Wolchover: Was ist ein Teilchen? In: Spektrum der Wissenschaft 4.21 (April 2021). Seite 13ff.
- [2] Stephen Hawking: Eine kurze Geschichte der Zeit. Die Suche nach der Urkraft des Universums. Englischer Originaltitel: A Brief History of Time. From the Big Bang to Black Holes. Deutsch im Rohwolt Taschenbuch Verlag. 1988. ISBN: 3-499-188-50-3. Dort vor allem das Kapitel: Elementarteilchen und Naturkräfte. Seite 87 ff.
- [3] Teilchen (particles) als zentrales Modell der Physik: "There are some aspects of the universe - notably the structure of space and time - that present-day physics tends to assume are continuous.But over the past century it has at least become universally accepted that all matter is made up of identifiable discrete particles." Als Beispiele genannt werden Elektronen, Photonen, Myonen und die 6 Grundtypen der Quarks. Wolfram modelliert Teilchen als "localized structure" innehalb eines sogenannten Zellularautomaten. In: Stephen Wolfram: A New Kind of Science. 2002. ISBN: 1-57955-008-8. Dort das Kapitel "Elementary Particles" ab Seite 525. Siehe auch Zellularautomat ↗
