Teilchen

Grundidee des Teilchenbegriffs

In der Physik ist ein Teilchen ein Körper, der im Vergleich zum Maßstab des betrachteten Systems klein ist. Entscheidend ist dabei nicht seine innere Struktur, sondern sein Verhalten als Ganzes gegenüber anderen Teilchen oder äußeren Einflüssen. Häufig werden Teilchen deshalb idealisiert als ausdehnungslose Punktteilchen oder Punktmassen behandelt.

Der Teilchenbegriff ist eine Vereinfachung: Man betrachtet meist nur bestimmte Eigenschaften eines realen Objekts, etwa Masse oder elektrische Ladung, um die dazugehörige Wechselwirkung zu untersuchen. Dasselbe physikalische Objekt kann je nach Fragestellung als einzelnes Teilchen oder als System aus mehreren Teilchen gelten. Das betrifft besonders Atome, Atomkerne sowie Protonen und Neutronen. Teilchen, die nicht aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind, heißen Elementarteilchen.

In der Festkörperphysik werden nicht nur Gitteratome als Teilchen beschrieben, sondern auch Anregungen in einem Kristallgitter. Solche Anregungen können zum Beispiel als Polaronen, Excitonen oder Phononen aufgefasst werden. Auch Löcher in sonst voll besetzten Energiebändern von Elektronen in einem Halbleiter zeigen Teilcheneigenschaften und werden wie positiv geladene Teilchen behandelt.

Historische Entwicklung

Schon im 5. Jahrhundert v. Chr. nahm Demokrit an, dass Materie aus kleinsten, unteilbaren Einheiten besteht. John Dalton verwendete 1803 für solche kleinsten, seiner Ansicht nach untrennbaren Teilchen die Bezeichnung Atom.

In der Chemie ist es sinnvoll, Atome zunächst als untrennbare Teilchen zu behandeln. Betrachtet man als wichtige Eigenschaft zum Beispiel die Massezahl und ordnet Elemente danach, gelangt man zum Periodensystem. Diese Beschränkung auf ausgewählte Eigenschaften ist typisch für den Teilchenbegriff in der Physik.

Später zeigte sich, dass Atome doch eine innere Struktur besitzen. Marie Curie erkannte, dass ein radioaktives Element in ein anderes übergehen kann. Ernest Rutherford zeigte in seinem Streuexperiment, dass eine mit Alphastrahlung beschossene Goldfolie weitgehend durchlässig ist. In der Beschreibung dieses Experiments werden sowohl die einfallenden Alpha-Teilchen als auch die positiv geladenen Atomkerne im Gitter als Teilchen idealisiert. Für die Erklärung des Streumusters reichen wenige Eigenschaften wie Masse, Ladung, Durchmesser und Geschwindigkeit aus.

Auch im Bohrschen Atommodell werden Teilchen auf wesentliche Eigenschaften reduziert: betrachtet werden ein Elektron und ein Atomrumpf aus Atomkern und möglicherweise weiteren Elektronen, vor allem mit ihren Ladungen und Massen.

Bei der Kernspaltung zeigte sich erneut, dass der Teilchenbegriff vom Betrachtungsmaßstab abhängt. Otto Hahn, Lise Meitner und Fritz Straßmann wiesen nach, dass beim Beschuss von Uran-Atomen mit Neutronen nicht nur Transurane entstehen, wie man nach Enrico Fermi 1934 angenommen hatte, sondern manchmal eine Spaltung in mittelgroße Atomkerne stattfindet. Der Atomkern kann hier nicht mehr als einzelnes Teilchen verstanden werden, sondern als Zusammensetzung aus Nukleonen, also Protonen und Neutronen. Wichtige Teilchen der Kernphysik sind außerdem Alpha-Teilchen, Elektronen und Neutrinos.

Standardmodell und subatomare Teilchen

Die Teilchenphysik unterscheidet zwischen Materieteilchen und Wechselwirkungsteilchen, auch Austauschteilchen genannt. Bei den Materieteilchen unterscheidet sie außerdem zwischen Elementarteilchen und zusammengesetzten Teilchen.

Elementarteilchen werden im Standardmodell der Elementarteilchenphysik beschrieben. Dieses Modell ist eine Quantenfeldtheorie. Teilchen gelten darin als Feldquanten, also gequantelte Energiemengen von Feldern. Ob Teilchen oder Felder grundlegender sind, wird bis heute (2018) kontrovers diskutiert. Viele Physiker vertreten die quantenfeldtheoretische Sicht, dass es keine lokalisierten Teilchen gibt, sondern nur Felder und deren Quanten.

Im Standardmodell gibt es drei Familien von Leptonen und drei Familien von Quarks. Leptonen sind das Elektron und sein Neutrino, das Myon und sein Neutrino sowie das Tau und sein Neutrino. Die Quark-Familien heißen up und down, charm und strange sowie top und bottom.

Quarks treten in der Natur nicht einzeln auf. Dieses Phänomen heißt Farb-Confinement. Stattdessen bilden Quarks zusammengesetzte Teilchen, die Hadronen genannt werden. Hadronen werden in Mesonen und Baryonen unterteilt. Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark. Baryonen bestehen aus drei Quarks. Die bekanntesten Baryonen sind Proton und Neutron.

Austauschteilchen vermitteln Wechselwirkungen. Das Photon ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung. Es ist eng mit den W-Bosonen und dem Z-Boson verwandt; zusammen sind sie Austauschteilchen der elektroschwachen Wechselwirkung. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung sind Gluonen. Sie halten Quarks in Nukleonen zusammen. Die Restwirkung dieser starken Kraft außerhalb der Nukleonen hält Nukleonen ähnlich zusammen, wie Van-der-Waals-Kräfte zum Beispiel Wassermoleküle zusammenhalten.

Von den vier Grundkräften der Physik fehlt im Standardmodell die Gravitation mit ihrem vermuteten Austauschteilchen, dem Graviton. Die Ergebnisse des Standardmodells stimmen sehr gut mit Beschleunigerexperimenten überein. Es ist aber bisher nicht gelungen, denselben mathematischen Formalismus auch auf die Gravitation auszudehnen. Das gilt als eine große offene Frage der Theoretischen Physik. Im Standardmodell erhalten Teilchen ihre Masse durch Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld.

Quantenmechanische Sicht

In der Quantenmechanik wird ein Teilchen durch eine Wellenfunktion beschrieben. Die Amplitude dieser Wellenfunktion gibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Teilchens an. Teilchen werden dadurch nicht mehr nur wie kleine klassische Körper verstanden, sondern zeigen zugleich Welleneigenschaften.

Ein typisches Beispiel ist der Doppelspalt. Trifft Licht oder ein Elektronenstrahl auf einen Doppelspalt, bildet die zugehörige Welle hinter dem Spalt ein Beugungsmuster. Auf einem Fotopapier oder Schirm erscheinen aber immer einzelne Auftreffpunkte. Erst im stochastischen Mittel vieler Photonen oder Elektronen wird das Beugungsmuster sichtbar. Diese gleichzeitige Deutung als Welle und Teilchen heißt Welle-Teilchen-Dualismus.

In der klassischen Mechanik ist der Zustand eines Teilchens durch Ort und Impuls festgelegt. In der Quantenmechanik können Ort und Impuls dagegen nie gleichzeitig genau gemessen werden. Das beschreibt die Heisenbergsche Unschärferelation.

In Mehrteilchensystemen werden Teilchen durch Erzeugungsoperatoren aus einem Vakuumzustand erzeugt. Solche Operatoren sind besonders in der Quantenfeldtheorie wichtig. Zwischen Anfangs- und Endzuständen wechselwirkender Teilchen können virtuelle Teilchen entstehen und wieder verschwinden. Diese erfüllen keine Energie-Impuls-Relation, und ihre Energie hat keine untere Schranke.

In der Mathematischen Physik reicht der Teilchenbegriff von Zuständen in Hilbert-Räumen mit Operatoralgebren bis zu Wellen, für die etwa ein bestimmtes Streuverhalten berechnet werden kann. Dazu zählen Solitonen, also Wellen, die nicht auseinanderlaufen.

Abgrenzung verwandter Begriffe

Der Begriff Partikel sollte im Allgemeinen nicht einfach für Teilchen verwendet werden. In einigen Bereichen werden beide Wörter jedoch synonym gebraucht. Verbünde aus wenigen Tausend Atomen oder Molekülen heißen sowohl Nanoteilchen als auch Nanopartikel. Auch Partikeltherapie und Teilchentherapie werden synonym verwendet, obwohl die eingesetzten Protonen und anderen Ionen in der Physik Teilchen heißen. Die medizinische Bezeichnung Partikel geht auf das englische particle zurück.

In der Hydrodynamik kann mit Teilchen ein Volumenelement eines Fluids gemeint sein. Dieses Teilchen ist zwar klein, aber makroskopisch: Es enthält so viele Moleküle, dass man ihm neben Ort und Impuls auch thermodynamische Eigenschaften wie Druck, Temperatur und Entropie zuschreiben kann.

Die Bezeichnung Korpuskel für Teilchen ist veraltet. Sie kommt historisch etwa in der Gegenüberstellung von Korpuskeltheorie und Wellentheorie des Lichts vor. Staubpartikel haben typischerweise eine Ausdehnung im Mikrometerbereich.