Teilchen als kraftüberträger

mathehannes · Gast

Meine Frage:
Hi ich hab da mal ne frage zu kräften
Ich halte demnächst eine Verteidigung meiner Facharbeit und muss dazu wissen, wie anziehende kräfte zwischen zwei Protonen vereinfacht dargestellt durch den austausch von Pionen entstehen.
Außerdem soll ich noch darlegen, wie elektrisch anziehende Kräfte zwischen zwei unterschiedlich geladenen Teilchen durch den Austausch von Photonen zustande kommen.

Meine Ideen:
Über den Kernzusammenhalt von Protonen und Neutronen weiß ich bescheid, mir fehlt nur eine möglichst einfache Erklärung für den Proton-Proton Zusammenhalt.
Bei der elektromagnetischen WW fehlt mir nur eine Erklärung für anziehende Kräfte, die abstoßung kann ich schon erklären.
Ich hab mir gedacht, dass bei anziehenden Kräften Photonen in die entgegengesetzte Richtung abgegeben werden und die Teilchen aufgrund dieser Richtungsänderung "zusammen treiben". Ist das so in etwa korrekt?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18047

Da hast du glaube ich etwas grundsätzlich missverstanden; es kann nicht sein, dass du abstoßende Kräfte erklären kannst, jedoch keine anziehenden; die Erklärung ist dieselbe.

Auch ist mr nicht klar, wie du den Pionenaustausch verstehst, nicht jedoch den Photonenaustausch.

kraft · Gast

Lass mich raten: ein Teilchen sendet ein Austauschteilen aus und fliegt dadurch in die entgegengesetze Richtung. Das austauschteilchen trifft dann ein anderes Teilchen und stoßt dieses weg, richtig?

Denke das geht hier um ein Schulniveau-Model. Wäre gut, wenn Leute zusätzliche "Meine Ideen" noch kurz "Mein Vorwissen" angeben würden. z.B. "9. Klasse" oder "2. Sem".

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18047

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18047

So, jetzt habe ich etwas Zeit, um ein paar Sätze zu dem Thema zu schreiben:

Im Rahmen der Quantenfeldtheorie gibt es keine Punktteilchen; statt dessen werden die ein- und auslaufenden Teilchen als ebene Welle beschrieben, die einen bestimmten Impuls tragen. Man rechnet mit sogenannten differentiellen Wirkungsquerschnitten, die im wesentlichen besagen, wie ein Teilchen wahrscheinlich gestreut wird, d.h. mit welcher Amplitude (bzw. Wahrscheinloichkeit) die Streuung in einen bestimmten Raumwinkel stattfindet. Dabei tritt in den Prozessen niedrigster Ordnung meist nur ein Term auf, in den die Ladung quadratisch eingeht, so dass der differentiellen Wirkungsquerschnitt für Elektron-Elektron sowie Elektron-Positron im wesentlichen identisch ist (in der Coulomb- bzw. Rutherford-Streuung kann man die Ladung des Streuzentrums nicht erkennen). Allerdings tragen streng genommen mehrere Prozesse bei.

Siehe dazu http://en.wikipedia.org/wiki/Bhabha_scattering

Dann noch einige Anmerkung: man kann zwar in bestimmten Prozessen eine Art Potential- oder Kraftbegriff ableiten, dies ist jedoch aus mehreren Gründen irreführend:
1) die sogenannten virtuellen oder Austauschteilchen sind nur mathematische Artefakte einer bestimmten mathematischen Näherung (Störungstheorie) und sollten nicht als "real" angesehen werden; besser ist eine nicht-störungstheorietische Betrachtung, in der virtuelle Teilchen gar nicht auftreten
2) es gibt physkalische Prozesse, die sich grundsätzlich nicht mittels Störungstheorie und somit nicht mittels virtueller Teilchen beschreiben lassen!
3) es gibt Energiebereiche für bestimmte Wechselwirkungen, in denen die Störungstheorie grundsätzlich versagt
4) die virtuellen Teilchen sind nur in Prozessen niedrigster Ordnung Teilchen, die einen festen Impuls tragen; in höheren Ordnungen sind es dagegen keine Teilchen mit festem Impuls, sondern eher Integrale über alle Teilchen mit allen erlaubten Impulsen
5) so ein virtuelles Teilchen hat einige pathologische Eigenschaften, insbs. erfüllt es nicht die beziehung m² = E² - p²; im Falle der Photonen bedeutet dies, dass m² prinzipiell jeden beliebigen Wert annehmen kann und nicht m²=0 gelten muss (das ist der tiefere Grund, warum die Teilchen als virtuell bezeichnet werden)
6) die Definition eines virtuellen Teilchen ist keinsewegs eindeutig; sie hängt üblicherweise von gewissen Symmetrien bw. damit verbundenenen Wahlfreiheiten ab; je nach getroffener Wahl haben die Teilchen unterschiedliche Eigenschaften, es kann sogar vorkommen, dass komplett neue Teilchensorten durch diese Wahlfreiheit in Spiel kommen (sogenannte Geistfelder)
7) es gibt auch in der Quantenfeldtheorie einen Formalismus, der es erlaubt,die Wechselwirkung und die darin auftretenden Potentiale ohne virtuelle Teilchen zu formulieren; z.B. tritt dann wieder das bekannte Coulomb-Potential auf

Aus all diesen Gründen rate ich Studenten, diese virtuellen Teilchen nicht zu ernst zu nehmen; sie werden in populärwissenschaftlichen Büchern sehr häufig in den Vordergrunf gerückt, aber auch Physiker verstehen oft nicht, dass sie oft mehr schaden als nutzen. Solange man sie als Rechenwerkzeuge betrachtet ist alles in Ordnung; wenn man aber einen tieferen Sinn oder eine Interpretation dahinter sucht, dann führt dies häufig in die Irre.

Du siehst, ich bin da skeptisch, aber ich kann dir gerne weiterhelfen, wenn es um konkrete Fragen geht.

mathehannes · Gast

also die erklärung soll nur für die schule sein (11. klasse, gk physik), also wirklich sehr sehr einfach .
mein lehrer hat gesagt, das ich die kräfte mittels dieser virtuellen Teilchen erklären soll, da die dahintersteckende mathematik für die 11. klasse wohl noch zu hoch ist.
Ich soll den anderen aus meiner klasse nur die Grundgedanken vermitteln.
Daher dachte ich mir, dass die erklärung mit den Austauschteilchen für diesen Zeck recht gut geeignet ist. Deshalb wollte ich als Einstieg auch das Modell mt den zwei Kindern nehmen, die sich einen Ball zuwerfen und sich dadurch abstoßen.
Auf etwa diesem Niveau sollte die Erkläung sein, da zum Thema Quantenmechanik noch gar nichts im Unterricht drankam.

Schüler · Anmeldungsdatum: 05.05.2006 Beiträge: 175

Bei diesen virtuellen Teilchen tritt schnell das Problem auf, dass man sich die ganze Situation zu mechanisch vorstellt, d.h. dass man meint dass bspw. ein Elektron ein virtuelles Photon emittiert. Das virtuelle Photon überträgt einen Impuls auf ein anderes Elektron und so kommt es zu einer Abstoßung. Genau diese Vorstellung wird auch in Experimentalphysikbüchern vermittelt. Leider ist diese Vorstellung nicht richtig.

Besser ist die Analogie zu Molekülorbitalen. Wenn man zwei Atome einander annähert, kommt es zu einer Austauschwechselwirkung zwischen den beiden Atomen, so dass ein stabiles Gesamtsystem, das Molekül, resultiert.

Analog befinden sich zwei wechselwirkende geladene Teilchen wie bspw. zwei Elektronen in einem gemeinsamen verschränkten Zustand zwischen denen ein Austauschterm vermittelt.

Ich denke, wenn du dich mit der Physik der Molekülbindung ein wenig vertrauter machst, solltest du auch eher ein grobes Gefühl dafür bekommen, was bei der Physik der Wechselwirkung für Prozesse ablaufen.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18047

Stell dir vor, dass eine Fußballmannschaft im Training mit einem oder mehreren Bällen über's Spielfeld trabt und Kurzpassspiel trainiert; sie werden dabei tendentiell eher eng beieinander bleiben. Das könnte ein anschauliches Bild für eine durch Austauschteilchen vermittelte Bindungsenergei sein. Eine rein mechanische Vorstellung ist dagegen einfach falsch.

Versuche, ein paar meiner Einwände einzubauen, um klar zu machen, dass es sich nur um grobe Analogien bzw. anschauliche Bilder handelt. Man muss die Mathematik nicht heranziehen (das geht auch gar nicht in der 11. Klasse), aber man darf m.E. nicht verschweigen, dass das Problem eben so einfach nicht zu knacken ist.