Atome etc.

Quark73 · Gast

Meine Frage:
Woher weiß man überhaupt, dass Atome existieren? Und woher weiß man, dass Elektronen und Quarks existieren? Gibt es Methoden zur Entdeckung von Atomen und Elementarteilchen?

Meine Ideen:
Keiner hat bisher ein Atom gesehen, warum also sollen sie existieren? Und warum sollen Quarks, die ja viel kleiner sind, existieren?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Man beobachtet in Streuexperimenten, dass Projektile an punktförmigen Objekten (Atomkerne, Nukleonen, Quarks - je nach Energieauflösung) gestreut werden. Siehe z.B. Rutherfords Streuexperiment http://de.wikipedia.org/wiki/Rutherford-Streuung

Moderne Beschleuniger nutzen letztlich das selbe Prinzip.

Der Nachweis erfolgt also indirekt

Quark73 · Gast

Man schießt mit z.B. Elektronen auf Atomkerne und beobachtet je nach Streuung, wie die Elektronen abgelenkt werden. So kann man dann auf Protonen schießen? Aber was ist mit Quarks?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Elektronen als Projektil sind ein gutes Beispiel, denn diese haben selbst keine Substruktur, sind also (nach heutigem Kenntnisstand) fundamental. Man schießt Elektronen auf Atome und findet in einem bestimmten Energiebereich Streuung an "harten", nahezu punktförmigen Streuzentren, den Atomkernen. Schießt man nun Elektronen auf einzelne Nukleonen (insbs. Protonen = Wasserstoffatomkernen) so entdeckt man, dass diese Protonen nicht punktförmig sind sondern dass man sie als Ladungswolke auffassen kann (Vorsicht, sehr vereinfache Analogie). Benutzt man höhere Energien, so findet man ab einem bestimmten Energiebereich wiederum "harte", punktförmige Streuzentren innerhalb des Protons. Aus bestimmten Eigenschaften der gestreuten Elektronen kann man die Eigenschaften dieser Quarks (früher auch Partonen) rekonstruieren. Historisch war dies tatsächlich der Weg, wie man Quarks (indirekt) im Rahmen der sogenannten tief-inelastischen Streuung nachgewiesen hat.

http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~jwagner/WS1011/Vorlesung/files/TP-10-14.pdf

Versuch mal trotz der vielen Formeln die Graphiken zu verstehen und bis Seite 7 durchzuhalten

Außerdem haben wir das hier schon mal diskutiert

http://www.physikerboard.de/htopic,30497,tiefinelastische.html

Quark73 · Gast

Man kann aus dem Winkel und verschiedenen Eigenschaften der gestreuten Elektronen indirekt auf Quarks schließen?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Na ja, etwas komplizierter ist es schon. Man benötigt die exakte Impuls- und Winkelverteilung. Schau dir mal die Folien an

Quark73 · Gast

Die Mathematik ist mir eindeutig zu schwierig. Big Laugh

Doch denke ich verstanden zu haben, dass dabei die Strukturfunktionen entscheidend sind. Sie lassen Rückschlüsse auf die innere Struktur der Nukleonen zu. Also auf die Quarks.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Genau!

Experimentell ist es der (inklusive) Streuquerschnitt, der die energieabängige Impuls- und Winkelverteilung des gestreuten Elektrons beschreibt und den man messen kann. Theoretisch sind es die Strukturfunktionen, die die innere Struktur des Protons als eine Art Impulsdichte der Quarks (und Gluonen) beschreiben.

Stell dir vor, du schießt mit vielen Fußbällen auf eine Gruppe von Fußballspielern und ermittelst ausschließlich aus den gestreuten Fußbällen, wieviele Spieler da sind, wie sie laufen, wie dicht sie beieinander sind, welche Typen (Torwart, Stürmer, ...) dabei sind, um welche Mannschaft (Bayern, Dortmund, ...) es sich handelt usw.

Man weiß, wie die Strukturfunktionen für elementare Protonen aussehen müssten (Mott-Querschnitt, rein elastische Streuung). Man findet jedoch kompliziertes F(x,Q). Man weiß, wie diese Funktionen für verschiedene Quarkmodelle aussehen müssten (Graphiken Seite 7). Man kann daraus auf die Existenz der Quarks (drittelzahlige Elementarladung, drei Quarks - in einer gewissen Näherung) schließen. Und man kann mit fortgeschrittenen Methoden die QCD-Effekte recht exakt berechnen (vorstellen kann man sich das übrigens nicht mehr)

Quark73 · Gast

Ich danke dir für die Infos und die Analogie Prost

Quark73 · Gast

Es sollten also Streuquerschnitt (experimentell) und die Strukturfunktionen (theoretisch) übereinstimmen. In einem Experiment gibt also der Streuquerschnitt Auskunft über die innere Beschaffenheit eines Nukleon?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Wie war es den historisch gesehen? Kannte man zuerst den Streuquerschnitt oder die Strukturfunktionen? Aus einem von beiden schloss man doch dann auf die Quarks (Partonen).

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Das ging zeitlich wohl ziemlich Hand in Hand. Die tief-inelastische Streuung wurde m.W.n. in den 60iger Jahren zuerst untersucht. Damals gab es auch schon das (vereinfachte) Quark-Parton-Modell (ohne QCD) das letztlich algebraisch eine Ordnung in den Teilchenzoo bringen sollte.

Die allgemeine Struktur von relativistischen Wirkungsquerschnitten kannte man da schon ca. 30 Jahre. Die Anwendung und Spezialisierung auf Nukleonen erfolgte wohl ebenfalls in den 60iger Jahren. Um diese Zeit wurden auch die ersten nicht-abelschen Eichtheorien, insbs. QCD formuliert. Für einige relevante Berechnungen waren jedoch mathematische Methoden erforderlich, die Anfang der 70iger entwickelt wurden.

Genauer weiß ich's nicht. Evtl. schreibt Fritzsch in seinem Buch über Quarks etwas, oder Gell-Man, die müssen's wissen, die wären dabei ;-)

Quark73 · Gast

Im Experiment ist es doch so, dass der Streuquerschnitt und die Strukturfunktionen zusammenspielen. Die Strukturfunktionen spielen dabei eher mathematisch eine Rolle; der Streuquerschnitt eher messtechnisch (real).

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Ja, wie gesagt, die Strukturfunktionen dienen dazu, den Streuquerschnitt mathematisch darzustellen, sie enthalten ausschließlich die nichttriviale Physik der Quarks und Gluonen in den Nukleonen, während der Streuquerschnitt einige weitere triviale Abhängigkeiten enthält, die für die Dynamik der Streuung insgs. wichtig sind, jedoch nicht das Nukleon selbst betreffen.

Quark73 · Gast

Und die Strukturfunktionen ergeben sich aus den gestreuten Elektronen?
Sind denn die Elektronen klein genug, um an den Quarks gestreut zu werden?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Wurden denn auch Gluonen durch Streuung indirekt beobachtet?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Ja. Die Geschichte ist etwas komplizierter, da das Elektron nicht direkt am elektrisch neutralen Gluon streut, sondern nur indirekt über Quark-Loops. Aber man kann auch Gluon-Strukturfunktionen messen.

Quark73 · Gast

Wie war das denn beim Rutherfordschen Streuversuch. Die meisten Alpha-Teilchen konnten die Folie ungehindert durchdringen. Dazu kommt, dass einige Alpha-Teilchen abgelenkt oder zurück gestreut wurden. So kam man zu dem Schluss, dass der Großteil des Atoms leer ist und sich fast die gesamte Masse im Zentrum befindet.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Dann müssten wir laut dieses Experiments doch alle zum Großteil aus leerem Raum bestehen.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Wenn wir aber doch zum größten Teil aus leerem Raum bestehen, warum können wir Materie berühren? Eigentlich müssten wir uns durchdringen können.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Grund für die Festigkeit von Materie sowie für den Widerstand gegen Durchdringung sind elektromagnetische Kräfte zwischen Atomen. Diese sorgen einerseits für die chemische Bindung, andererseits für die Abstoßung.

Quark73 · Gast

Also einmal elektromagnetische Abstoßung. Trägt das Pauli-Prinzip auch dazu bei?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Atome sind doch nach außen hin elektrisch neutral. Wie können sie da zur Abstoßung beitragen?

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Nun, ganz einfach. Wenn zwei Atome einander nahekommen, dann beginnen die Atomhüllen zu überlappen. Dabei können anziehende Elektronenkonfigurationen entstehen (z.B. zwei Wasserstoffatome bilden ein Molekül) oder abstoßende. Um das im Detail zu verstehen muss man die WW-Terme der Elektronenkonfigurationen berechnen. Es gibt ein paar Faustregeln - Stichwort: chemische Bindung - aber zum eigtl. Verständnis benötigt man die exakten Rechnungen.

Quark73 · Gast

Ich möchte gerne nochmal zusammenfassen, was ich verstanden habe.
Die Quarks entdeckte man durch die tief-inelastische Elektron-Nukleon Streuung. Dabei wird an einem Nukleon, genauer den Quarks, ein Elektron gestreut. Dieses wiederum gibt Auskunft über die innere Beschaffenheit des Nukleons, also der Quarks. Dabei sind die Strukturfunktionen wichtig, weil sie mathematisch etwas über den Streuvorgang usw. aussagen.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Quark73 · Gast

Vielen Dank. Ich denke ich hab's verstanden.
Eine Frage noch dazu. Kann man die Sturkturfunktionen messen? Denn durch die Messung der Sturkturfunktion erhält man doch mathematisch die Auskunft über die Eigenschaften der Quarks.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Nicht direkt.

Man misst den Streuquerschnitt und extrahiert daraus mathematisch die Strukturfunktionen.

Quark73 · Gast

Der Streuquerschnitt ergibt sich also direkt den gestreuten Elektronen. Und aus dem Streuquerschnitt ergeben sich die Strukturfunktionen.

TomS · Moderator Anmeldungsdatum: 20.03.2009 Beiträge: 18051

Ja.

Schau mal in dem verlinkten PDF S. 6, erste Gl. Links steht der Streuquerschnitt, rechts die Strukturfunktionen W.