Subatomische Teilchen und Bestandteile des Atoms

Subatomische Teilchen (subatomic particle)

Subatomische Teilchen (subatomic particle) sind Teilchen, die kleiner als Atome sind. Unter den subatomischen Teilchen gibt es zusammengesetzte Teilchen, die aus kleineren Bausteinen bestehen, und Elementarteilchen, die als nicht weiter zerlegbar gelten. In der Kerntechnik sind besonders folgende Elementarteilchen von Bedeutung:

• Hadronen (hadron)
  • Baryonen (baryon)
    • Nukleonen (nucleon)
      • Protonen (proton)
      • Neutronen (neutron)
• Leptonen (lepton)
  • Elektronen (electron)
  • Positronen (positron)
  • Neutrinos (neutrino)

Der Name “Lepton” stammt vom griechischen Wort “λεπτός”, was “klein und dünn” bedeutet. Bei der Namensgebung wurde dieser Name gewählt, weil sie im Vergleich zu anderen Elementarteilchen eine geringe Masse hatten. Allerdings hat das in den 11970er Jahren des Holozän-Kalenders entdeckte Tauon (tauon) trotz seiner Klassifizierung als Lepton eine Masse, die fast das 1,9-fache der Masse von Protonen und Neutronen beträgt, weshalb Leptonen nicht unbedingt leicht sein müssen.

Elektronen (electron) & Positronen (positron)

• 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, negatron) mit negativer Ladung und $e^+$ (Positronen, positron) mit positiver Ladung. Beide unterscheiden sich nur im Vorzeichen ihrer Ladung, während alle anderen Eigenschaften identisch sind. Wenn ohne weitere Spezifizierung von Elektronen gesprochen wird, sind in der Regel Negatronen gemeint.

Unter bestimmten Bedingungen können Positronen und Negatronen kollidieren, wobei beide Elektronen vernichtet werden und zwei Photonen entstehen. Dieser Prozess wird als Elektronenannihilation (electron annihilation) bezeichnet, und die dabei entstehenden Photonen nennt man Vernichtungsstrahlung (annihilation radiation).

Bildquelle

• Autoren: Dirk Hünniger, Joel Holdsworth
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Protonen (proton)

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

Protonen tragen eine positive Ladung in der gleichen Größenordnung wie die Elektronen.

Neutronen (neutron)

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

Neutronen 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 Protonen, wobei dieser Prozess durchschnittlich etwa 12 Minuten dauert.

Neutrinos (neutrino)

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

Ursprünglich wurde angenommen, dass Neutrinos eine Ruhemasse von 0 haben, aber im Jahr 11998 entdeckte das japanische Super-Kamiokande-Forschungsteam, dass sie eine sehr kleine, aber nicht verschwindende Masse besitzen. Es gibt verschiedene Arten von Neutrinos, wobei in Kernreaktionen besonders das Elektron-Neutrino (electron neutrino) und das Elektron-Antineutrino (electron anti-neutrino) wichtig sind. In der Regel werden diese beiden Arten nicht unterschieden und als eine Art betrachtet.

Struktur von Atomen und Atomkernen

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

• Atome bestehen aus einer Elektronenwolke und einem im Zentrum befindlichen Atomkern
• Nicht ionisierte, neutrale Atome haben die gleiche Anzahl von Elektronen wie Protonen, die um den Atomkern kreisen
• Elektronen bestimmen die chemischen Eigenschaften und die Art des Elements
• Der Atomkern besteht aus Nukleonen (Protonen und Neutronen), die durch die starke Kernkraft (Nuclear Force) zusammengehalten werden, welche die elektrische Abstoßung überwindet
• Ordnungszahl (atomic number): Die Anzahl der Protonen im Atomkern, dargestellt durch $Z$
• Gesamtladung des Atomkerns: +$Ze$
• Neutronenzahl (neutron number): Die Anzahl der Neutronen im Atomkern, dargestellt durch $N$
• Massenzahl (atomic mass number) oder Nukleonenzahl (nucleon number): Die Summe aus Protonen- und Neutronenzahl. $A=Z+N.$
• Nuklid (nuclide): Ein Atomkern mit einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen

Isotope, Isobare, Isotone, Kernisomere

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
Kernisomere (isomer)	Nuklide desselben Typs, die sich jedoch aufgrund der Anregung (excitation) eines oder mehrerer Nukleonen in einem metastabilen Zustand befinden