Elementarteilchen
Bereits im 19. Jahrhundert verdichteten sich die Vermutungen, ein Atom sei nicht das kleinste unteilbare Teilchen, sondern bestehe vielmehr selbst aus noch kleineren Bestandteilen. So zeigte J. J. Thomson, dass bei Anlegen eines elektrischen Feldes in einer evakuierten Kathodenstrahlröhre Strahlung entsteht. Bei Untersuchungen dieses Phänomens kam er zu dem Ergebnis, dass es sich bei diesen Kathodenstrahlen um einen Fluss negativer Teilchen handeln müsse, die zur positiven Anode beschleunigt würden (dieses Prinzip macht man sich beispielsweise bei Fernsehbildern zu Nutze). Des Weiteren stellte er Überlegungen zum räumlichen Aufbau eines Atoms auf und machte den Vorschlag des sogenannten „Rosinenkuchenmodells“ , bei dem das Atom aus einer einheitlichen positiven Materiekugel bestehe, in die die negativen Elektronen eingebettet sind.
Abb. 1: Schematische Darstellung des Rosinenkuchenmodells (Thomson) sowie des Rutherfordschen Streuversuchs
1910 sollte sich aber das Modell als falsch erweisen, nachdem der Physiker Ernest Rutherford dieses durch den berühmten Streuversuch widerlegt hatte. Rutherford richtete eine Alpha-Strahlenquelle so aus, dass die α-Teilchen (=positiv geladen) in einem Strahl auf eine dünne Goldfolie von einigen Atomlagen prasselten. Diese Apparatur umhüllte er mit einem Leuchtschirm , um zu detektieren, wo überall α-Teilchen aufschlugen. Die Ergebnisse waren unerwartet, da neben dem Großteil der α-Teilchen, die die Folie ungehindert durchquerten, einige Teilchen existierten, die unter großen Winkeln gebeugt und sogar solche, die komplett reflektiert wurden. Diese Tatsache widersprach dem von Thomson postulierten Modell und so wurde die Idee eines kompakten positiven Atomkerns (= Nucleus) geboren, um den sich in einer fast leeren Atomhülle Elektronen bewegen. Nachfolgende Experimente haben zur Entdeckung der Neutronen (ungeladenene Teilchen) geführt, die sich ebenfalls im Kern aufhalten.
Das in der klassischen Physik per definitionem unteilbare Atom (gr. a-, tomos = unteilbar) besteht also doch aus noch kleineren distinkten Partikeln. Für die Mehrzahl der Fragestellungen des Chemikers und erst recht für den Mediziner genügt es erstmal, die folgenden Elementarteilchen zu differenzieren:
Bezeichnung
Elektrische Ladung
Masse [kg]
Proton
einfach positiv
1,672·10-27
Elektron
einfach negativ
9,109·10-31
Neutron
neutral
1,674·10-27
An Folgendes solltest du dich im MedAT auf jeden Fall erinnern:
Neutronen verhalten sich elektrisch neutral , das heißt sie haben keine Ladung.
Elektronen haben im Vergleich zu Protonen und Neutronen eine sehr niedrige Masse und leisten deshalb einen vernachlässigbar geringen Beitrag zur Gesamtmasse eines Atoms.
Jedes Atom besitzt gleich viele Elektronen wie Protonen und ist daher elektrisch neutral . Anders Ionen, die je nach ihrer Ladung eine höhere bzw. niedrigere Elektronen- als Protonenzahl besitzen.
In der nachfolgenden Abbildung ist der Aufbau eines Atoms mit seinen zuvor besprochenen wichtigsten Atombausteinen, den Protonen und Neutronen im Atomkern sowie den Elektronen in der Hülle, angedeutet.
Abb. 2: Das Atom und seine Hauptbestandteile
Mit Protonen, Elektronen und Neutronen hört die Teilchen-Spalterei aber nicht auf! Das Wissen um die fundamentalsten Bausteine der Existenz scheint reizvoll genug, um den Bau gigantischer Versuchsanordnungen zu ermöglichen. Zum Beispiel den Large Hadron Collider des CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire). Derartige Teilchenbeschleuniger erlaubten den experimentellen Nachweis und die Beschreibung der Elementarteilchen im engeren Sinne: Quarks , aus denen Protonen und Neutronen bestehen, Leptonen , einer Teilchenfamilie, der auch die Elektronen angehören, und Bosonen , zu denen zum Beispiel das Photon gerechnet wird.
Diese Teilchen werden im sogenannten Standardmodell (Abb.3) zusammengefasst. Man versucht die Beobachtungen um diese Teilchen zudem mit den 4 fundamentalen Kräften der Physik (schwache und starke Kernkraft, elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft) in Bezug zu setzen.
Einige Elementarteilchen dienen dabei der Erklärung von Kräften. Durch die Entdeckung des Higgs Bosons ist es wahrscheinlich gelungen, das Teilchen zu finden, welches die Masse der Materie bestimmt. Sind wir mit diesen Teilchen jetzt wirklich bei den Grundbausteinen des Universums angelangt? Eine spannende Frage, aber ebenso wie die vollständige Liste aller Teilchen im Standardmodell, höchstwahrscheinlich keine Prüfungsfrage beim MedAT.
Abb. 3: Das Standardmodell der Teilchenphysik
