Starke Wechselwirkung und Kategorie:Proteinkomplex: Unterschied zwischen den Seiten

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[[Datei:Gluon_coupling.svg|mini|400px|[[Feynman-Diagramm|Feynman-Diagramme]] zu den fundamentalen Kopplungsmöglichkeiten der starken Wechselwirkung, von links nach rechts: Abstrahlung eines Gluons, Aufspaltung eines Gluons und „Selbstkopplung“ der Gluonen.]]
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[[Kategorie:Proteinkomplex|!]]
Die '''starke Wechselwirkung''' (auch '''starke Kraft''', '''Gluonenkraft''', '''Farbkraft''', aus historischen Gründen '''Kernkraft''' oder '''starke Kernkraft''' genannt) ist eine der vier [[Fundamentale Wechselwirkung|Grundkräfte der Physik]]. Mit ihr wird die [[Gebundener Zustand|Bindung]] zwischen den [[Quark (Physik)|Quarks]] in den [[Hadron]]en erklärt. Ihre [[Austauschteilchen]] sind die [[Gluon]]en.
[[Kategorie:Protein|O]]
 
Vor der Einführung des Quark-Modells wurde als starke Wechselwirkung die Anziehungskraft zwischen den [[Nukleon]]en ([[Proton]]en und [[Neutron]]en) des [[Atomkern]]s bezeichnet. Auch heute noch ist mit der starken Wechselwirkung oft nur diese ''Restwechselwirkung'' gemeint.
 
== Bindung zwischen Quarks ==
[[Datei:Neutron QCD Animation.gif|miniatur|150px|Wechselwirkung innerhalb eines Neutrons (Beispiel). Die Gluonen sind dargestellt als Punkte mit der [[Farbladung]] im Zentrum und der Antifarbe am Rand.]]
 
Nach der [[Quantenchromodynamik]] (im Folgenden: QCD) wird die starke Wechselwirkung – wie die [[Elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetische]] und die [[schwache Wechselwirkung]] – durch den Austausch von [[Eichboson]]en beschrieben. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung werden als [[Gluon]]en bezeichnet, von denen es acht Sorten (unterschiedliche [[Farbladung]]s<nowiki />zustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Farbladungen austauschen.
 
[[Datei:Strong Interaction Potential.svg|miniatur|Potential zwischen zwei Quarks in Abhängigkeit ihres Abstands. Zusätzlich sind die mittleren Radien verschiedener Quark-Antiquark-Zustände gekennzeichnet.]]
Die Anziehungskraft zwischen Quarks bleibt auch bei steigender Entfernung konstant, anders als z.&nbsp;B. bei der [[Coulombsches Gesetz|Coulombkraft]], bei der es mit steigendem Abstand immer leichter wird, zwei sich anziehende Teilchen zu trennen. Sie ist damit grob vergleichbar mit einem Gummiseil oder einer [[Zugfeder]]. Wird der Abstand zu groß, „reißt“ das Seil in dieser Analogie und es wird ein [[Meson]] gebildet durch Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares aus dem Vakuum. Bei kleinem Abstand können die Quarks wie [[Freies Teilchen|freie Teilchen]] betrachtet werden ([[asymptotische Freiheit]]). Mit größerem Abstand bewirkt die zunehmende Wechselwirkungsenergie, dass die Quarks den Charakter selbstständiger Teilchen verlieren, weswegen sie nicht als freie Teilchen beobachtet werden können ([[Confinement]]).
 
== Bindung zwischen Nukleonen ==
Obwohl Nukleonen immer die Farbladung null haben, gibt es zwischen ihnen eine ''Restwechselwirkung'' oder ''Kernkraft'' (entfernt vergleichbar den [[Van-der-Waals-Kräfte]]n, die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen [[Atom]]en und/oder [[Molekül]]en ansehen kann).
 
Die Reichweite der Anziehung durch die Restwechselwirkung liegt bei etwa 2,5&nbsp;[[Femtometer]]n (fm). Bei diesem Wert des Abstands <math>r</math> ist sie vergleichbar stark wie die elektrische Abstoßung ([[Coulombsches Gesetz|Coulombkraft]]) zwischen den Protonen und bei kürzeren Abständen ist sie stärker als die Coulombkraft. Oberhalb dieses Abstandes dagegen nimmt die Anziehung schneller ab als die Coulombkraft, die proportional zu <math>1/r^2</math> sinkt. Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkräfte erklärt den Zusammenhalt und die Größenordnung der Atomkerne, aber z.&nbsp;B. auch die [[Kernspaltung|Spaltung schwerer Kerne]].
 
Auf sehr kurze Abstände wirkt die Kernkraft abstoßend, entsprechend einem harten Kern (Hard Core) von 0,4 bis 0,5 fm. Außerdem ist sie Spin-abhängig: sie ist stärker bei parallelen Spins als bei antiparallelen, so dass das [[Deuteron]] (bestehend aus einem Neutron und einem Proton) nur für parallele Spins (Gesamtspin 1) gebunden ist, und [[Diproton]] und [[Dineutron]] (mit antiparallelen Spins aufgrund des [[Pauli-Prinzip]]s) nicht gebunden sind. Neben dem Zentralpotential-Anteil und dem Spin-Spin-Wechselwirkungsanteil hat sie auch einen Tensoranteil und einen Spin-Bahn-Anteil.
 
Vor der Einführung des Quark-Modells wurden die Restwechselwirkung und ihre geringe Reichweite mit einer [[Effektive Theorie|effektiven Theorie]] erklärt: durch den [[Pion #Das Pion-Austauschmodell|Austausch von Pionen zwischen den Nukleonen]] ([[Yukawa-Potential]]) und die Masse der Pionen. Außerdem wurde in den Nukleon-Nukleon-Potential-Modellen der Austausch weiterer Mesonen berücksichtigt (wie dem [[Rho-Meson]]). Da Berechnungen der Kernkraft mit der QCD bisher nicht möglich sind, benutzt man zum Beispiel in der Beschreibung der Nukleon-Nukleon-Streuung verschiedene phänomenologisch angepasste Potentiale, die auf Mesonenaustauschmodellen basieren (wie das Bonn-Potential).
 
=== Erklärung der Restwechselwirkung ===
[[Datei:Pn scatter pi0.svg|miniatur|300px|[[Feynman-Diagramm]] einer starken [[Proton]]-[[Neutron]]-Wechselwirkung vermittelt durch ein neutrales [[Pion]]. Die Zeit-Achse verläuft von links nach rechts.]]
 
[[Datei:Pn Scatter Quarks.svg|miniatur|300px|Dasselbe Diagramm mit den einzelnen Konstituenten-[[Quark (Physik)|Quarks]] gezeigt, um darzustellen, wie die ''fundamentale'' starke Wechselwirkung eine „Kernkraft“ erzeugt. Gerade Linien sind Quarks, vielfarbige Schleifen [[Gluonen]] (Träger der [[Grundkräfte der Physik|Grundkraft]]). Andere Gluonen, welche Proton, Neutron und Pion (im „Flug“) zusammenhalten, sind nicht dargestellt.]]
 
[[Datei:Nuclear Force anim smaller.gif|miniatur|350px|Eine Animation der Wechselwirkung, die zwei kleinen farbigen Punkte sind Gluonen. Anti-Farben können [[:Datei:Quark Anticolours.png|diesem Diagramm]] entnommen werden. ([//upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/Nuclear_Force_anim.gif größere Version])]]
 
Zwischen Atomen ist das abstoßende [[Potential (Physik)|Potential]] bei kleinen Abständen eine Folge des [[Pauli-Prinzip]]s für die [[Elektron]]en<nowiki />zustände. Bei Annäherung zweier Nukleonen mit sechs Quarks hat jedes Quark aber erheblich mehr Freiheitsgrade im niedrigsten Zustand (Bahndrehimpuls l=0): neben [[Spin]] (2&nbsp;Zustände) noch eine Farbladung (3&nbsp;Zustände) und [[Isospin]] (2&nbsp;Zustände), zusammen also 12, auf die sich die sechs Quarks nach dem Pauli-Prinzip verteilen können.<ref>Die Gesamtwellenfunktion ist antisymmetrisch und damit muss, da der Farbanteil immer antisymmetrisch ist (Gesamtfarbladung Null) bei symmetrischer Raum-Wellenfunktion (Bahndrehimpuls 0) der Spin-Isospin-Anteil auch symmetrisch sein</ref> Das Pauli-Prinzip ist hier nicht unmittelbar für die Abstoßung verantwortlich, die sich unterhalb etwa 0,8 fm bemerkbar macht. Der Grund liegt vielmehr in der starken Spin-Spin-Wechselwirkung der Quarks, die sich augenfällig darin ausdrückt, dass die [[Delta-Resonanz]] (mit parallelen Spins der drei Quarks) eine um etwa ein Drittel höhere Masse als das Proton hat. Stehen also die Spins der Quarks parallel zueinander, so nimmt die [[potentielle Energie]] des Systems zu. Dies gilt auch bei sich überlappenden Nukleonen, und zwar umso stärker, je geringer der Abstand der Nukleonen voneinander ist. Versuchen die Quarks durch Umkehrung des Spins ihre ''chromomagnetische'' Energie zu minimieren, gelingt dies nur durch Übergang in einen energetisch höheren Bahndrehimpulszustand (l=1).<ref>Diskussion nach Povh, Rith, Schulze, Zetsche ''Teilchen und Kerne'', S. 250f, dort nach [[Amand Fäßler]]</ref>
 
Mit noch größerem Abstand voneinander gelangen die Nukleonen in den anziehenden Teil der starken Wechselwirkung. Hierbei spielt weniger der Quark-Quark-Austausch (zwei Quarks sind gleichzeitig beiden beteiligten Nukleonen zugeordnet), den man in Analogie zur [[Kovalente Bindung|kovalenten Bindung]] erwartet, eine Rolle, als vielmehr der von farbneutralen Quark-Antiquark-Paaren (Mesonen) aus dem ''[[Seequark]]''-Anteil der Nukleonwellenfunktion in der QCD.
 
Eine vollständige Beschreibung der Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist jedoch bisher nicht möglich.
 
== Siehe auch ==
* {{WikipediaDE|Starke Wechselwirkung}}
 
== Literatur ==
* Manfred Böhm, Ansgar Denner, Hans Joos: ''Gauge theories of the strong and electroweak interaction'', Teubner-Verlag, Stuttgart 2001, ISBN 978-3-519-23045-8 (deutsches Original: Becher-Böhm-Joos, ''Eichtheorien der starken und elektroschwachen Wechselwirkung'') – ein Standardwerk für die Theorie
* Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche ''Teilchen und Kerne'', 8. Auflage, Springer Verlag 2009
* Wolfgang Wild ''Kernkräfte und Kernstruktur'', Teil 1,2, Physikalische Blätter 1977, S. 298, 356, [http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19770330703/abstract Teil 1], [http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/phbl.19770330804/abstract Teil 2]
 
== Weblinks ==
* Marc Gänsler: [http://www.drillingsraum.de/4_grundkraefte_physik/4_grundkraefte_physik.html ''Die starke Wechselwirkung''.] In: ''Einführung: Die 4 Grundkräfte der Physik'', abgerufen 30. Januar 2009.
* [http://www.physicsmasterclasses.org/exercises/kworkquark/de/kennenlernen/artikel.teilchen-und-kraefte-3/9/1/index.html ''Gluonen und die starke Kraft''.] DESYs Kwork Quark, ''»Teilchenphysik für alle«''
 
==Einzelnachweise==
<references />
 
[[Kategorie:Quantenfeldtheorie]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Physik]]
 
{{Wikipedia}}

Aktuelle Version vom 14. September 2019, 02:14 Uhr