Teilchen

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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, sehr eingeschränkt und bei den Elementarteilchen gar nicht mehr möglich.

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

Die Teilchenzahl LaTeX: N 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 LaTeX: N_{\rm A} = 6{,}022\;140\;76 \cdot 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1} 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 LaTeX: \lambda bezeichnet. Sie hängt mit der Teilchendichte (also der Konzentration der Teilchen) LaTeX: n = \frac{N}{V} und dem totalen Wirkungsquerschnitt LaTeX: \sigma wie folgt zusammen: LaTeX: \lambda = \frac{1}{n \cdot \sigma}

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.

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