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Bakhtosh
02.01.2012 , 02:33 AM | #45
Die Starke Kraft



Die starke Wechselwirkung ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit ihr werden die Bindung zwischen Quarks in den Hadronen und auch – historisch zuerst – die Bindung zwischen Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Atomkern erklärt.

Als Hadronen bezeichnet man Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterworfen sind, im Gegensatz etwa zu Leptonen. Sie sind aus Quarks oder deren Antiteilchen zusammengesetzt und somit im eigentlichen Sinn keine Elementarteilchen. Die bekanntesten Hadronen sind die Nukleonen (Neutronen und Protonen), aus denen die Atomkerne aufgebaut sind.

Je nach Spin werden die Hadronen in 2 Typen eingeteilt:

Mesonen, sie haben ganzzahligen Spin und sind damit Bosonen. Sie bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, dem Antiteilchen eines Quarks. Beispiele für Mesonen sind Pi-Meson und K-Meson.

Baryonen, sie haben halbzahligen Spin und sind damit Fermionen. Sie bestehen aus drei Quarks (Antibaryonen aus drei Antiquarks). Beispiele für Baryonen sind Proton und Neutron.


Bindung zwischen Quarks

Die starke Wechselwirkung wird nach der Quantenchromodynamik wie die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von Bosonen (genauer Eichbosonen) beschrieben. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung werden als Gluonen bezeichnet, von denen es acht Sorten (unterschiedliche Farbladungszustände) gibt. Die Gluonen übertragen eine Farbladung zwischen den Quarks. Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Farbladungen austauschen.

In der Teilchenphysik sind die Gluonen Elementarteilchen, die indirekt für die Anziehung von Protonen und Neutronen in einem Atomkern verantwortlich sind. Das Symbol für das Gluon ist ein g.

Damit bilden die Gluonen die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung. Es gibt 8 verschiedene Gluonen, die zwischen Quarks, den Bausteinen der Hadronen (Baryonen, z. B. Protonen und Neutronen, und Mesonen), ausgetauscht werden.

Gluonen sind elektrisch neutral und werden innerhalb des Standardmodells als masselos angenommen, während experimentell eine Masse von einigen MeV nicht ausgeschlossen werden kann. Sie besitzen eine Farbladung, die sich immer aus einer „Farbe“ und einer „Antifarbe“ zusammensetzt. Durch diese können die verschiedenen Gluonen unterschieden werden.


Gluon

http://www.youtube.com/watch?v=ZUHQZgOMw7Y

Die Anziehungskraft zwischen Quarks nimmt mit steigender Entfernung zu, grob vergleichbar mit einem Gummiseil. Bei kleinem Abstand können die Quarks daher wie freie Teilchen betrachtet werden (asymptotische Freiheit), wodurch eine Einschließung (Confinement) der Quarks zustande kommt. Mit größerem Abstand bewirkt die zunehmende Kraft jedoch, dass die Quarks den Charakter selbstständiger Teilchen verlieren; dies erklärt, warum eine Beobachtung von Quarks als freie Teilchen nicht möglich ist.

Bindung zwischen Nukleonen

Potentialverlauf der Kernkraft zwischen NukleonenNukleonen haben immer die Farbladung Null. Trotzdem gibt es zwischen ihnen eine Restwechselwirkung (ganz entfernt vergleichbar den Van-der-Waals-Kräften, die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Atomen und/oder Molekülen ansehen kann). Diese Restwechselwirkung zwischen Nukleonen wird manchmal als Kernkraft im Unterschied zur eigentlichen starken Wechselwirkung bezeichnet.

Bei einem Abstand r unterhalb etwa 2,5 Femtometer ist die Anziehung durch die starke Restwechselwirkung vergleichbar stark wie die elektrische Abstoßung (Coulombkraft) zwischen Protonen. Jenseits dieses Abstandes nimmt sie dagegen sehr steil ab, während die Coulombkraft nur proportional zu 1/r2 abnimmt. Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkräfte erklärt den Zusammenhalt der Atomkerne, aber auch z. B. den Prozess der Spaltung schwerer Kerne.

Coulombsches Gesetz

Das coulombsche Gesetz bildet die Basis der Elektrostatik und beschreibt die Kraft zwischen zwei kugelsymmetrisch verteilten elektrischen Ladungen (Spezialfall: Punktladungen). Es besagt, dass der Betrag dieser Kraft proportional zum Produkt der beiden Ladungsmengen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes der Kugelmittelpunkte ist. Die Kraft wirkt je nach Vorzeichen der Ladungen anziehend oder abstoßend in Richtung der Verbindungsgeraden der Mittelpunkte. Bei mehr als zwei Ladungen werden die einzelnen Kraftvektoren gemäß dem Superpositionsprinzip addiert.

Coulomb's Law

http://www.youtube.com/watch?v=b49DF-qN4n8&feature=fvsr

Erklärung der Restwechselwirkung

Während zwischen Atomen der abstoßende Teil des Potentials, bei kleinen Abständen, als Folge des Pauli-Prinzips bei den Elektronenzuständen zustande kommt, gilt dies zwischen Nukleonen nicht, denn Quarks haben neben dem Spin eine Farbladung und im Fall der Konstituenten eines Nukleons, u- und d-Quarks, auch einen Isospin. Im Ganzen sind also 2x2x3 = 12 unterschiedliche Konfigurationen pro Zustand (2 Spin-Zustände, 2 Isospin-Zustände, 3 Farb-Zustände) gegeben, in denen sich die Quarks anordnen können. Bei jeweils 3 Quarks pro Nukleon spielt also hier das Pauli-Prinzip keine Rolle.

Grund für die starke Abstoßung bei Abständen r unterhalb von ca. 1,7 Femtometer ist die starke Spin-Spin-Wechselwirkung der Quarks untereinander. Stehen Spins parallel zueinander, nimmt die potentielle Energie des Systems zu. Die damit verbundene Zunahme der potentiellen Energie bei sich überlappenden Nukleonen steigt mit abnehmendem Nukleonenabstand. Dies ergibt die effektive Abstoßung bei kleinen Abständen r, die mit steigendem r abnimmt.

Mit größerem Abstand der Nukleonen zueinander gelangen sie in den anziehenden Teil des Kernpotentials. Dieser kann anhand zweier Mechanismen erklärt werden:

einen Quark-Quark-Austausch, vergleichbar mit dem Austausch zweier Elektronen in einer kovalenten Bindung (zwei Quarks sind gleichzeitig beiden beteiligten Nukleonen zugeordnet);

das Nukleon enthält neben den drei Valenzquarks noch zahlreiche Gluonen, die in Quark-Antiquark-Paare und wieder in Gluonen zerfallen können. Diese Seequarks genannten Quark-Antiquark-Paare sind farbneutral und können so auch über größere Entfernungen ausgetauscht werden, wo das Confinement nur den Austausch farbneutraler Objekte gestattet.

Man kann sich somit die zwischen Nukleonen wirkende Kernkraft als relativistische Verallgemeinerung der kovalenten Kraft für die starke Wechselwirkung und dem Austausch von Quarks vorstellen. Eine vollständige Beschreibung der Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist bisher nicht möglich


Ich weiss es ist schwer und ich habe auch drann zu knacken um es in mein Hirn zu bekommen, aber so ist nun mal die Welt.

Vielen dank an meine alten Leser die sich hier mal wieder sehen lassen und mit mir diesen Thread zu etwas besonderen machen

MFG

Bak
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