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Teilchen

Aus AnthroWiki

Als Teilchen oder Partikel (eng. particle) werden in der Physik idealisierte Objekte bezeichnet, die sehr klein im Verhältnis zu dem gesamten betrachteten System sind. Sie werden daher theoretisch auch vielfach als ausdehnungslose Punktteilchen bzw. - sofern massebehaftet - als Punktmassen behandelt. Kleinste massebehaftete Teilchen werden auch als Korpuskel (von lat. corpusculum „Körperchen“) bezeichnet und im Rahmen der klassischen Physik als winzige materielle Gegenstände vorgestellt. Diese Vorstellung ist allerdings nur für solche Größenbereiche gerechtfertigt, in denen keine quantenphysikalischen Phänomene zu berücksichtigen sind. Im Bereich der Moleküle und namentlich der Atome ist das nur mehr sehr eingeschränkt und bei den Elementarteilchen gar nicht mehr möglich.

Ein Teilchen, auf das keine äußeren Kräfte einwirken (das sich also in keinem Potential befindet), ist ein freies Teilchen.

Masse

Massive Teilchen (eng. massive particles) bzw. Massebehaftete Teilchen, wie z. B. Elektronen, Protonen und Neutronen, die sich zu Atomen vereinigen und so die baryonische Materie aufbauen, haben eine reelle Ruhemasse größer Null und bewegen sich nach den Gesetzen der speziellen Relativitätstheorie mit einer Geschwindigkeit, die stets kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist.[1] Sie werden deshalb auch gelegentlich als bradyonisches Teilchen bzw. Bradyon (von griech. βραδύς bradys „langsam“), Tardyon[2] oder Ityon[3] bezeichnet, um auf diesen relativistischen Zusammenhang hinzuweisen.

Masselose Teilchen wie Photonen oder Gluonen haben im Gegensatz dazu die Ruhemasse Null und bewegen sich im leeren Raum stets mit Lichtgeschwindigkeit. Ein derartiges Teilchen wird manchmal auch als Luxon (von lat. lux „Licht“) bezeichnet.

Das rein hypothetische Tachyon (von griech. ταχύς tachýs „schnell“), das als Lösung der Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie zumindest theoretisch möglich ist, würde sich, so es existieren sollte, stets mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen und hätten ein imaginäre Masse.

Subatomare Teilchen

Subatomare Teilchen sind kleiner, aber nicht notwendigerweise leichter als Atome. Dabei kann es sich um Elementarteilchen oder um aus Elementarteilchen zusammengesetzte Teilchen handeln. Zusammengesetzte Teilchen sind etwa Atomkerne, die aus Protonen und Neutronen (ausgenommen Wasserstoff, dessen häufigstes Isotop 1H nur aus einem Proton im Kern besteht) aufgebaut sind. Aber auch die Protonen und Neutronen (die sog. Nukleonen) selbst sind keine Elementarteilchen, da sie ihrerseits - wie alle Baryonen - aus 3 Quarks gebildet werden. Weitere zusammengesetzte Teilchen sind die Mesonen, die aus Quark-Antiquark-Paaren aufgebaut sind.

Nanoteilchen

Nanoteilchen (auch: Nanopartikel) mit einer typischen Größe von 1 - 100 Nanometer bzw. Cluster, die aus einigen wenigen bis zu vielen tausend Atomen oder Molekülen bestehen, zeigen oft schon den Flüssigkeiten oder Feststoffen vergleichbare Eigenschaften. Eine Nanoröhre (eng. Nanotube) ist beispielsweise ein länglicher Hohlkörper mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern. Am bedeutensten und besten untersucht sind Kohlenstoffnanoröhren. Aggregierte Diamant-Nanostäbchen (eng. aggregated diamond nanorods, ADNR) sind eine besonders dichte Form des Kohlenstoffs, die so hart ist, dass sie sogar natürliche Diamanten zu ritzen vermag.

Teilchenzahl

Die Teilchenzahl gibt die absolute Anzahl der Teilchen in einem System an und ist direkt proportional zur Stoffmenge. Sie ist eine extensive, dimensionslose physikalische Größe. Die Teilchenzahl in einem Mol einer beliebigen Substanz wir durch die nach Amedeo Avogadro benannte Avogadro-Konstante angegeben, deren Wert seit der Neudefinition des Internationalen Einheitensystems im Jahr 2019 exakt festgelegt ist.

Die durchschnittliche Weglänge, die ein Teilchen zurücklegt, ehe es mit einem anderen Teilchen zusammenstößt, wird als mittlere freie Weglänge bezeichnet. Sie hängt mit der Teilchendichte (also der Konzentration der Teilchen) und dem totalen Wirkungsquerschnitt wie folgt zusammen:

Quantenphysikalische Phänomene

Im Bereich der Quantenphysik werden „Teilchen“ bzw. Quantenobjekte nicht einseitig als lokalisierte Objekte, sondern zugleich auch als Welle behandelt (→ Welle-Teilchen-Dualismus) und durch eine entsprechende Wellenfunktion dargestellt, deren Amplitudenquadrat die Wahrscheinlichkeit angibt, für eine ausgewählte Eigenschaft des Teilchens (z.B. seinen Impuls oder seine Energie) an einem bestimmten Ort und zu einem bestimmten Zeitpunkt einen bestimmten Wert zu messen. Daher kann auch in diesem Sinn nicht von einer durchgängigen realen Existenz des Teilchens gesprochen werden, sondern nur von einer durch die Interaktion mit dem Messgerät bedingten Erscheinung einer ausgewählten Eigenschaft.

Auch makroskopisch fassbare Stoffe zeigen unter bestimmten Bedingungen nur quantenphysikalisch erklärbare Phänomene wie etwa Suprafluidität oder Supraleitfähigkeit

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. On the Phenomenology of Tachyon Radiation. In: Foundations of Physics Letters. 8, Nr. 2, 1995, S. 127–134. arxiv:hep-th/9508166. bibcode:1995FoPhL...8..127F. doi:10.1007/BF02187583.
  2. Martin Gardner [originally published February 1980]: Professor Cracker's Antitelephone. In: The Jinn From Hyperspace. Prometheus Books, 2008, S. 119: „Just as ordinary particles ('tardyons') can never be accelerated to the speed of light, so tachyons can never be slowed down to the speed of light.“
  3. Particles beyond the Light Barrier. In: Physics Today. 22, Nr. 5, 1969, S. 43–51. bibcode:1969PhT....22e..43B. doi:10.1063/1.3035574.