Eine lange Zeit wurde angenommen, dass Atome die kleinsten Elementarteilchen sind. Inzwischen wissen wir aber, dass ein Atom aus Elektronen, Neutronen und Protonen besteht. Physiker heutiger Zeit gehen davon aus, dass es Teilchen gibt, die unteilbar sind. Die Frage stellte sich nur, ob die bereits genannten Teilchen, die letzten sind, die man nicht teilen kann. Die Antwort lautet: Nein, es gibt ja noch die Quarks (ausgesprochen: Kworks). Aber was sind Quarks?
Die Entdeckung der Quarks
Damals nahm man an, dass Atome die kleinsten Teilchen der Materie seien.
Um dies zu veranschaulichen, lohnt sich ein Blick in den Atomkern. Dieser ist im Verhältnis gesehen recht schwer. Diesen Fakt stellte Ernest Rutherford fest. Er beschoss eine Goldfolie mit Alphateilchen (2 Protonen und 2 Neutronen). Die meisten Teilchen kamen durch die Folie, der andere Teil wurde abgelenkt.
Die Mitte vom Goldatom scheint demnach sehr stark zu sein. Er kam zu dem Schluss, dass die Masse eines Atoms im Kern liegt und dass dieser positiv geladen ist. Außerdem ging er von einer Atomhülle aus, in der sich Elektronen befinden.
Wissenschaftler haben im letzten Jahrhundert viele Teilchen gefunden, sodass ein regelrechter „Teilchenzoo“ entstand.
Murray Gell-Mann und George Zweig formulierten unabhängig voneinander Hypothesen über den Aufbau der gefundenen Teilchen. Nun wurde angenommen, dass Protonen und Neutronen aus weiteren Teilchen bestehen – sie also gar keine Elementarteilchen sind. Gell-Mann nannte diese neuen Teilchen Quarks.
Auf diesen Namen kam er aufgrund des Buches „Finnegans Wake“ von James Joyce, in dem Quarks vorkommen.
Um den Kern herum, wie heute Physiker wissen, bewegen sich die Elektronen frei in einer Art Wolke um den Atomkern herum. Das ist aus der Heisenbergschen Unschärferelation abzuleiten, welches besagt, dass man den Ort eines Elektrons nur mit einer Wahrscheinlichkeit berechnen kann.
Aber wie kann sich ein Atomkern bilden, wenn sich dort viele positiv geladene Teilchen befinden, die sich ja abstoßen müssten. Aus diesem Grund muss es Wechselwirkungsteilchen geben.
Was sind Quarks?
Hadronen (Protonen und Neutronen) bestehen aus Quarks. Quarks sind also deren Bausteine. Eine wichtige Eigenschaft von ihnen ist, dass sie der starken Wechselwirkung unterliegen. Wenn man versucht die Quarks auseinanderzureißen, dann wird die Kraft stärker. Die Kraft nimmt also mit der Entfernung zu. Diese Kraft, die zwischen ihnen besteht, wird Gluonen (engl. glue = Kleber) genannt.
Starke Kraft zwischen den Quarks.
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Die Bindungsenergie wird beim Auseinanderreißen so groß, dass sich ein Quark-Antiquark-Paar bildet. Aus diesem Grund kann man nie ein einzelnes Quark untersuchen. Diese Verbindung wird in der Wissenschaft als „Confinement“ bezeichnet. Diese Bindungsenergie macht ganze 2/3 der Masse eines Protons aus.
Mesonen werden Quark-Antiquark-Paare genannt. Dreierpaare von Quarks werden Baryonen genannt.
Es gibt sechs Quarks, die wie folgt heißen: up (u)-, down (d)-, strange (s)-, charm (c)-, bottom (b)- und top (t)-Quark.
Dabei gehören die ersten drei Quarks zu den leichten Quarks und die letzten drei Quarks zu den schweren Quarks. Außerdem gibt es noch sechs Antiquarks, sodass es insgesamt 12 Quarks gibt.
Man teilt sie in drei Gruppen ein, die sich in ihrer Masse unterscheiden.
| Gruppe | Quarks | Antiquarks | ||
|---|---|---|---|---|
| Ladung | 1/3 negativ | 2/3 positiv | 1/3 positiv | 2/3 negativ |
| 1. Gruppe | Down | Up | Anti-Down | Anti-Up |
| 2. Gruppe | Strange | Charm | Anti-Strange | Anti-Charm |
| 3. Gruppe | Bottom | Top | Anti-Bottom | Anti-Top |
Protonen und Neutronen brauchen nur 2 verschiedenen Quarks. Während das Proton zwei Up-Quarks und einen Down-Quark benötigt, hat das Neutron zwei Down-Quarks und einen Up-Quark. Die Ladung von Quarks sind Drittelladungen, und zwar entweder ein Drittel negativ oder zwei Drittel positiv. Antiquarks haben entweder eine zwei Drittel negative Ladung oder ein Drittel positive Ladung.
Quarks sind die Bausteine der Protonen und Neutronen.
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Farbladung der Quarks
Quarks besitzen zusätzlich eine Farbladung, damit die starke Wechselwirkung besser beschrieben werden kann. Die Farbe der Quarks kann Grün, Blau oder Rot sein. Die Antiquarks haben Antifarben, die da wären: Cyan, Magenta und Gelb. Der Sinn in der Farbgebung ist folgender: Mischt man die Quarks Farbladung, dann entsteht weiß und nur wenn dieses weiß entsteht, ist die Verbindung stabil.
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