Atome
Ein Atom besteht aus einem Kern und einer Elektronenhülle. Die negativ geladenen Elektronen bewegen sich in definierten Bahnen (Schalen) um den Kern. Da ihre Anzahl der der Protonen entspricht, ist ein Atom elektrisch neutral. Der Kern ist zwar winzig, enthält aber nahezu die gesamte Masse des Atoms. Die Anordnung der Elektronen bestimmt die chemischen Eigenschaften und das Bindungsverhalten eines Atoms.
- Protonen, positiv geladene Teilchen, deren Anzahl (Ordnungszahl) das Element bestimmt
- Neutronen, elektrisch neutrale Teilchen, die zur Stabilität und Masse des Kerns beitragen
Leptonen sind leichte Elementarteilchen, die nicht der starken Wechselwirkung unterliegen. Es gibt sechs Arten. Leptonen spielen eine zentrale Rolle bei der elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkung – allen voran das Elektron, das essenziell für Elektrizität und chemische Bindungen ist.
- Elektron
- Elektron-Neutrino
- Myon
- Myon-Neutrino
- Tauon
- Tauon-Neutrino
- Up (u)
- Down (d)
- Charm (c)
- Strange (s)
- Top (t)
- Bottom (b)
Elektronen sind für den Aufbau von Atomen und für alle chemischen Bindungen verantwortlich. In leitfähigen Materialien wie Metallen bewegen sie sich weitgehend frei und ermöglichen den Fluss von elektrischem Strom. Beim Wechsel ihres Energieniveaus absorbieren oder emittieren sie Photonen – Grundlage für optische Technologien wie LED, Laser oder Spektralanalyse. Die Vorstellung, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und eine „feste“ Hülle bilden, erklärt, warum Materie für uns fest erscheint, obwohl sie größtenteils aus leerem Raum besteht.
- Photonen → elektromagnetische Kraft
- Gluonen → starke Wechselwirkung
- W⁺/W⁻/Z⁰-Bosonen → schwache Wechselwirkung
- Gravitonen (theoretisch) → Gravitation
Die Stringtheorie ersetzt punktförmige Teilchen durch winzige, schwingende „Strings“. Jede Schwingung entspricht einem bestimmten Teilchen. Die Theorie postuliert bis zu 11 Raum-Zeit-Dimensionen, von denen viele für uns nicht sichtbar sind. Ihr Ziel: eine vereinheitlichte Theorie aller Grundkräfte, also eine „Theorie von allem“.
Die vier Grundkräfte
- Gravitation – schwächste Kraft, wirkt über große Distanzen
- Elektromagnetische Kraft – wirkt zwischen geladenen Teilchen, z. B. bei Licht oder Magnetfeldern
- Starke Wechselwirkung – hält Quarks zusammen; extrem stark, aber kurzreichweitig
- Schwache Wechselwirkung – verantwortlich für radioaktive Zerfälle und Wasserstofffusion in Sternen
Man geht in der Physik von einem Norm-Menschen mit einer Masse von etwa siebzig Kilogramm aus, der aus vierzehn verschiedenen Elementen besteht. Mit Hilfe des Periodensystems der Elemente und der Avogadro-Konstanten (6,02214076 x 10^23) erhalten wir gerundet 9 x 10^24 Protonen und 5 x 10^24 Neutronen und ebenfalls 9 x 10^24 Elektronen, da deren Anzahl immer gleich der Anzahl der Protonen ist. Da Protonen aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark und Neutronen aus zwei Down-Quarks und einem Up-Quark bestehen, erhalten wir 23 x 10^24 Up-Quarks und 19 x 10^24 Down-Quarks, also insgesamt 42 x 10^24 Quarks. Mit den 9 x 10^24 Elektronen besteht der physische Körper eines Menschen somit aus insgesamt 51 x 10^24 oder 51 Quadrillionen(!)Teilchen beziehungsweise Energiefäden.
Element | Masse | Atommasse | Protonen | Gesamt ( x 10^24 ) | Neutronen | Gesamt ( x 10^24 ) |
Sauerstoff | 45,5 | 16 | 8 | 3,4250125 | 8 | 3,4250125 |
Kohlenstoff | 12,6 | 12 | 6 | 1,26462 | 6 | 1,26462 |
Wasserstoff | 7,00 | 1 | 1 | 4,2154 | - | - |
Stickstoff | 2,10 | 14 | 7 | 0,18066 | 7 | 0,18066 |
Calcium | 1,05 | 40 | 20 | 0,0315 | 20 | 0,0315 |
Phosphor | 0,70 | 31 | 15 | 0,02810266667 | 16 | 0,02634625 |
Schwefel | 0,175 | 32 | 16 | 0,006586717036 | 16 | 0,006586717036 |
Kalium | 0,140 | 39 | 19 | 0,00437263158 | 20 | 0,004154 |
Natrium | 0,105 | 23 | 11 | 0,005748272727 | 12 | 0,00526925 |
Chlor | 0,105 | 36 | 17 | 0,003719470588 | 19 | 0,003327947368 |
Magnesium | 0,035 | 24 | 12 | 0,0017556416667 | 12 | 0,0017556416667 |
Eisen | 0,004 | 56 | 26 | 0,000009264615385 | 30 | 0,00008029333333 |
Kupfer | 0,0001 | 64 | 29 | 0,000002076551724 | 35 | 0,000001720571429 |
Jod | 0,00003 | 127 | 53 | 0,0000003408679245 | 74 | 0,0000002441351351 |
69,514 | 9,167573739 | 4,949315339 |