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Die vier fundamentalen Wechselwirkungen


Die vier fundamentalen Wechselwirkungen

Die in der Natur beobachteten Kräfte lassen sich auf 4 fundamentale Wechselwirkungen zurückführen. Man stellt sich vor, dass diese Wechselwirkungen durch den Austausch sogenannter Kräfteteilchen vermittelt werden.

Wechselwirkung über Teilchenaustausch:

    1.. die elektromagnetische Wechselwirkung:

    wird durch das Photon vermittelt und wirkt auf alle elektrisch geladenen Teilchen.

    b.. die starke Wechselwirkung:

wirkt durch Austausch von Gluonen auf alle Teilchen mit einer Farbladung = Quarks. Sie nimmt mit steigender Entfernung immer mehr zu (die vollständige Trennung von zwei Quarks würde deshalb unendlich viel Energie benötigen und ist daher unmöglich).

3. die schwache Wechselwirkung:

beruht auf dem Austausch von W- und Z-Bosonen. Sie ist unter anderem für den Zerfall des Neutrons in ein Proton und damit für bestimmte Formen der Radioaktivität verantwortlich.

4. die Gravitation:

wirkt auf alle Teilchen, die eine Masse haben. Sie spielt allerdings bei den hier betrachteten Massen keine praktische Rolle.

Jede dieser Kräfte wird durch den Austausch eines bestimmten Teilchens vermittelt. Wenn eine Wechselwirkung stattfindet, werden diese Teilchen erzeugt, ausgetauscht und verschwinden wieder.

Wechselwirkung

             Austauschteilchen

             Reichweite

             Relative Stärke

             Ruhemasse

            

            Stark

             Gluonen (8)

             10-15 m

             1

             0

            

            Elektromagnetisch

             Photon

             unendlich

             10-2

             0

            

            Schwach

             W+, W-, Z0

             10-18 m

             10-5

             80, 80, 91 GeV

            

            Gravitation

             Graviton

             unendlich

             10-38

             0

            

   

Das sogenannte Standardmodell beschreibt die ersten 3 oben genannten Wechselwirkungen.

Bei jedem Vorgang verändern sich die Zustände beteiligter Elementarteilchen, daher finden auch immer eine oder mehrere Wechselwirkungen statt, z.B.: bei:

· Anziehung und Abstoßung

· gebundenen Zuständen

· Zerfällen

· Fusionen

· Streuung

Was geschieht bei einer Wechselwirkung?

- zwei makroskopische Körper üben aufeinander Kräfte aus und treten damit in Wechselwirkung zueinander: z.B.: Jemand zieht an einem Türgriff (Zugkraft), die Luft in einem Ballon drückt gegen die Ballonhaut (Druckkraft). Weitere Kräfte: Schub-, Reibungs-, Zentripetal-, Gewichtskraft . . .

- auf Körper, die sich in einem Feld befinden, werden Kräfte ausgeübt, wenn sie eine entsprechende Eigenschaft besitzen (z.B.: elektrische Ladung für elektrisches Feld). Diese Sichtweise wird in Feldtheorien beschrieben.

- die Beschreibung von Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen erfolgt durch Quantentheorien. Diese Wechselwirkungen kommen ohne Felder aus , sie werden durch sogenannte Austauschteilchen vermittelt. Man nennt diese Teilchen daher auch Vermittler.

Sowohl Wechselwirkungen, bei denen sich Teilchen anziehen als auch solche bei denen sie sich abstoßen, werden durch Austauschteilchen vermittelt.

(® Abb.) Die Austauschteilchen werden als Vermittler, Wechselwirkungsteilchen, Austauschbosonen oder als Feldquanten ihrer Kraftfelder bezeichnet.

Wechselwirkung

               Vermittler

            

            Gravitation

             ®

             Gravition

            

            Schwach

             ®

             W, Z-Boson

            

            Elektromagn.

             ®

             Photon

            

            Stark

             ®

             Gluon

            

   

Folgende Eigenschaften betreffen alle Austauschteilchen:

· Der Spin:

Alle Austauschteilchen besitzen einen ganzzahligen Spin und sind daher Bosonen (Austauschbosonen). Es gilt dabei allgemein, dass Austauschbosonen mit geradem Spin (0, 2, 4, . . .) nur anziehende Wirkungen, während solche mit ungeradem Spin (3, 5, . . .) sowohl eine anziehende, als auch eine abstoßende Wirkung vermitteln. Das Graviton besitzt den Spin2, alle anderen Wechselwirkungen können abstoßend und anziehend wirken, ihre Austauschbosonen haben alle den Spin1.

· Masse und Reichweite:

Die Reichweite einer Wechselwirkung hängt vond er masse ihres Vermittlers ab, je massereicher ein Austauschboson, desto kurzreichweiter ist die vermittelte Wechselwirkung. Das Austauschboson einer Wechselwirkung mit unendlicher Reichweite muss die Ruhemasse 0 besitzen.

· Teilnahme der Austauschteilchen an der Wechselwirkung:

Nur wenn das Austauschteilchen selbst Träger der 'Ladung' ist, an die es koppelt, kann es auch mit seinesgleichen wechselwirken.

Das Photon ist elektrisch ungeladen, kann daher nicht mit anderen Photonen elektromagn. Wechselwirken, obwohl es selbst Vermittler ist.

Hingegen tragen Gluonen selbst Farbladung und können somit auch untereinander stark wechselwirken. (Tabelle)

Vergleich der Kopplungsstärken:

Die Stärke einer Wechselwirkung anzugeben ist nur im Vergleich mit anderen Wechselwirkungen sinnvoll. Vergleicht man die Stärken für gleiche Abstände, Massen und Ladungen, wie sie in der Teilchenphysik vorkommen, so erkennt man, dass die Verhältnisse dort ganz anders aussehen, als wir es - zumindest bei dr der Gravitation - erwarten würden. Die Gravitation ist mit Abstand die schwächste Wechselwirkung, scheint aber sehr stark zu wirken, im Gegensatz dazu ist die elektromagnetische Wechselwirkung wesentlich stärker.

Kopplungskonstante und Ladung:

Welche physikalische Größe beschreibt die 'Stärke' einer Wechselwirkung?

Die Stärke der Wechselwirkungen werden durch die sogenannten Kopplungskonstanten beschrieben. Da eine Wechselwirkung durch ein Austauschteilchen, das an ein anderes Teilchen koppelt, vermittelt wird, spricht man auch von der Kopplungsstärke.

Die Kopplungskonstante der schwachen Wechselwirkung ist a schw.

Die Kopplungskonstante der starken Wechselwirkung ist a s.

Da die Kopplungskonstante a und a schw proportional zum Quadrat ihrer zugehörigen Ladung e und g sind, werden in der Literatur die Begriffe: Kopplungskonstante und Ladung oft vermischt oder gleichwertig benutzt.

Erhaltungssätze:

Üblicherweise werden Wechselwirkungen durch 'Reaktionsgleichungen' beschrieben. Z.B.: die Paarvernichtung e- + e+ ® g + g

Ein entscheidendes Hilfsmittel zur Aufstellung und Kontrolle solcher Reaktionsgleichungen bieten Erhaltungssätze. Mit ihnen lässt sich entscheiden, ob eine Reaktion überhaupt möglich ist.

Wie findet man Erhaltungssätze?

Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten, die Erfahrung und die Quantenmechanik. Bekannte Größen, die bei starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkungen erhalten bleiben, sind die Gesamtenergie E, die elektrische Ladung Q, der Gesamtimpuls p, der Drehimpuls L. Aber auch die Farbe, die Baryonenzahl B, die Leptonenzahl L und sogar die spezifischen Leptonenzahlen Le, Lm und Lt bleiben erhalten.











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