Subatomare Teilchen und Bestandteile des Atoms

Subatomare Teilchen

Subatomare Teilchen sind Teilchen, die kleiner als Atome sind. Zu den subatomaren Teilchen gehören sowohl zusammengesetzte Teilchen, die aus kleineren Einheiten bestehen, als auch Elementarteilchen, von denen man annimmt, dass sie nicht weiter zerlegt werden können. In der Kerntechnik sind insbesondere die folgenden Elementarteilchen von Bedeutung:

• Hadronen
  • Baryonen
    • Nukleonen
      • Protonen
      • Neutronen
• Leptonen
  • Elektronen
  • Positronen
  • Neutrinos

Der Name ‘Lepton’ leitet sich vom griechischen Wort ‘λεπτός’ ab, was “klein und dünn” bedeutet. Zum Zeitpunkt der Namensgebung wurde angenommen, dass sie im Vergleich zu anderen Arten von Elementarteilchen eine geringe Masse haben. Allerdings hat das in den 1970er Jahren entdeckte Tauon trotz seiner Klassifizierung als Lepton eine Masse, die fast das 1,9-fache der Masse von Protonen und Neutronen beträgt. Daher sind Leptonen nicht unbedingt leicht, nur weil sie als solche bezeichnet werden.

Elektronen & Positronen

• Ruhemasse: $m_e = 9,10939 \times 10^{-31} \text{kg}$
• Ladung: $e = 1,60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Es gibt zwei Arten von Elektronen: $e^-$ (Negatronen) mit negativer Ladung und $e^+$ (Positronen) mit positiver Ladung. Beide haben identische Eigenschaften, abgesehen vom Vorzeichen ihrer Ladung. Wenn ohne weitere Spezifikation von Elektronen gesprochen wird, sind in der Regel Negatronen gemeint.

Unter bestimmten Bedingungen können Positronen und Negatronen kollidieren, wobei die beiden Elektronen vernichtet werden und zwei Photonen emittiert werden. Dieser Prozess wird als Elektronenvernichtung bezeichnet, und die dabei entstehenden Photonen werden als Vernichtungsstrahlung bezeichnet.

Bildquelle

• Autoren: Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
• Lizenz: GFDLv1.2

Protonen

• Ruhemasse: $m_p = 1,6726 \times 10^{-27} \text{kg}$
• Ladung: + $e = 1,60219 \times 10^{-19} \text{C}$

Sie haben die gleiche Größe der positiven Ladung wie Elektronen.

Neutronen

• Ruhemasse: $m_n = 1,674929 \times 10^{-27} \text{kg}$
• Ladung: $0$

Sie haben eine etwas größere Masse als Protonen und sind elektrisch neutral. Außerhalb des Atomkerns sind sie instabil und zerfallen unter Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos zu einem Proton. Dieser Prozess dauert im Durchschnitt etwa 12 Minuten.

Neutrinos

• Ruhemasse: sehr gering (genauer Wert unbekannt)
• Ladung: $0$

Ursprünglich wurde angenommen, dass sie eine Ruhemasse von 0 haben, aber 1998 entdeckte das Forschungsteam des Super-Kamiokande in Japan, dass sie eine sehr kleine, aber nicht verschwindende Masse besitzen. Es gibt verschiedene Arten, aber in Kernreaktionen werden hauptsächlich Elektron-Neutrinos und Elektron-Antineutrinos berücksichtigt, die normalerweise als eine Art betrachtet werden.

Struktur von Atomen und Atomkernen

\[^A_Z X \ (\text{A: Massenzahl, Z: Ordnungszahl, X: Elementsymbol})\]

• Atome bestehen aus einer Elektronenwolke und einem zentralen Atomkern
• Neutrale, nicht ionisierte Atome haben die gleiche Anzahl von Elektronen, die den Atomkern umkreisen, wie Protonen
• Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften und die Art des Elements
• Der Atomkern besteht aus Nukleonen (Protonen und Neutronen), die durch die starke Kernkraft trotz elektrischer Abstoßung zusammengehalten werden
• Ordnungszahl (atomic number): Anzahl der Protonen im Atomkern, dargestellt durch $Z$
• Gesamtladung des Atomkerns: +$Ze$
• Neutronenzahl (neutron number): Anzahl der Neutronen im Atomkern, dargestellt durch $N$
• Massenzahl (atomic mass number) oder Nukleonenzahl (nucleon number): Summe der Protonen und Neutronen im Atomkern. $A=Z+N.$
• Nuklid (nuclide): Atomkern mit einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen

Isotope, Isobare, Isotone, Isomere

Bezeichnung	Definition
Isotope	Nuklide mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl
Isobare	Nuklide mit gleicher Massenzahl, aber unterschiedlicher Protonen- und Neutronenzahl
Isotone	Nuklide mit gleicher Neutronenzahl, aber unterschiedlicher Ordnungszahl
Isomere	Nuklide des gleichen Elements, die sich in einem angeregten, metastabilen Zustand befinden, verursacht durch die Anregung eines oder mehrerer Nukleonen