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Starke Wechselwirkung Die starke Wechselwirkung auch starke Kraft Gluonenkraft Farbkraft ist eine der vier Grundkräfte d

Starke Wechselwirkung

Die starke Wechselwirkung (auch starke Kraft, Gluonenkraft, Farbkraft) ist eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit ihr wird die Bindung zwischen den Quarks in den Hadronen erklärt. Ihre Austauschteilchen sind die Gluonen.

Vor der Einführung des Quark-Modells wurde als starke Wechselwirkung lediglich die Anziehungskraft zwischen den Nukleonen des Atomkerns bezeichnet, d. h. Protonen und Neutronen. Auch heute noch ist mit der starken Wechselwirkung oft nur diese Restwechselwirkung gemeint, aus historischen Gründen auch Kernkraft oder starke Kernkraft genannt.

Feynman-Diagramme zu den fundamentalen Kopplungsmöglichkeiten der starken Wechselwirkung, a) Abstrahlung eines Gluons, b) Aufspaltung eines Gluons c) ,d) „Selbstkopplung“ der Gluonen.

Bindung zwischen Quarks Bearbeiten

Wechselwirkung innerhalb eines Neutrons (Beispiel). Die Gluonen sind dargestellt als Punkte mit der Farbladung im Zentrum und der Antifarbe am Rand.

Nach der Quantenchromodynamik (im Folgenden: QCD) wird die starke Wechselwirkung – wie die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung – durch den Austausch von 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.

Potential zwischen zwei Quarks in Abhängigkeit ihres Abstands. Zusätzlich sind die mittleren Radien verschiedener Quark-Antiquark-Zustände gekennzeichnet.

Die Anziehungskraft zwischen Quarks bleibt auch bei steigender Entfernung konstant, anders als z. B. bei der Coulombkraft, bei der es mit steigendem Abstand immer leichter wird, zwei sich anziehende Teilchen zu trennen. Sie ist damit grob vergleichbar mit einem Gummiseil oder einer Zugfeder. Wird der Abstand zu groß, „reißt“ das Seil in dieser Analogie und es wird ein Meson gebildet durch Erzeugung eines Quark-Antiquark-Paares aus dem Vakuum. Bei kleinem Abstand können die Quarks wie freie Teilchen betrachtet werden (asymptotische Freiheit). Mit größerem Abstand bewirkt die zunehmende Wechselwirkungsenergie, dass die Quarks den Charakter selbstständiger Teilchen verlieren, weswegen sie nicht als freie Teilchen beobachtet werden können (Confinement).

Bindung zwischen Nukleonen Bearbeiten

Obwohl Nukleonen immer die Farbladung null haben, gibt es zwischen ihnen eine Restwechselwirkung oder Kernkraft (entfernt vergleichbar den Van-der-Waals-Kräften, die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Atomen und/oder Molekülen ansehen kann).

Die Reichweite der Anziehung durch die Restwechselwirkung liegt bei etwa 2,5 Femtometern (fm). Bei diesem Wert des Abstands ist sie vergleichbar stark wie die elektrische Abstoßung (Coulombkraft) zwischen den Protonen und bei kürzeren Abständen ist sie stärker als die Coulombkraft. Oberhalb dieses Abstandes dagegen nimmt die Anziehung schneller ab als die Coulombkraft, die proportional zu sinkt. Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkräfte erklärt den Zusammenhalt und die Größenordnung der Atomkerne, aber z. B. auch die Spaltung schwerer Kerne.

Auf sehr kurze Abstände wirkt die Kernkraft abstoßend, entsprechend einem harten Kern (Hard Core) von 0,4 bis 0,5 fm. Außerdem ist sie Spin-abhängig: sie ist stärker bei parallelen Spins als bei antiparallelen, so dass das Deuteron (bestehend aus einem Neutron und einem Proton) nur für parallele Spins (Gesamtspin 1) gebunden ist, und Diproton und Dineutron (mit antiparallelen Spins aufgrund des Pauli-Prinzips) nicht gebunden sind. Neben dem Zentralpotential-Anteil und dem Spin-Spin-Wechselwirkungsanteil hat sie auch einen Tensoranteil und einen Spin-Bahn-Anteil.

Vor der Einführung des Quark-Modells wurden die Restwechselwirkung und ihre geringe Reichweite mit einer effektiven Theorie erklärt: durch eine Yukawa-Wechselwirkung zwischen Nukleonen und Pionen (Pion-Austauschmodell). Die geringe Reichweite wird durch die von Null verschiedene Masse der Pionen erklärt, die im Yukawa-Potential zu einer exponentiellen Abschwächung auf größeren Abständen führt. Außerdem wurde in den Nukleon-Nukleon-Potential-Modellen der Austausch weiterer Mesonen berücksichtigt (wie dem Rho-Meson). Da Berechnungen der Kernkraft mit der QCD bisher nicht möglich sind, benutzt man zum Beispiel in der Beschreibung der Nukleon-Nukleon-Streuung verschiedene phänomenologisch angepasste Potentiale, die auf Mesonenaustauschmodellen basieren (wie das Bonn-Potential).

Erklärung der Restwechselwirkung Bearbeiten

Feynman-Diagramm einer starken Proton-Neutron-Wechselwirkung vermittelt durch ein neutrales Pion. Die Zeit-Achse verläuft von links nach rechts.
Dasselbe Diagramm mit den einzelnen Konstituenten-Quarks gezeigt, um darzustellen, wie die fundamentale starke Wechselwirkung eine „Kernkraft“ erzeugt. Gerade Linien sind Quarks, vielfarbige Schleifen Gluonen (Träger der Grundkraft). Andere Gluonen, welche Proton, Neutron und Pion (im „Flug“) zusammenhalten, sind nicht dargestellt.
Eine Animation der Wechselwirkung, die zwei kleinen farbigen Punkte sind Gluonen. Anti-Farben können diesem Diagramm entnommen werden. (größere Version)

Zwischen Atomen ist das abstoßende Potential bei kleinen Abständen eine Folge des Pauli-Prinzips für die Elektronenzustände. Bei Annäherung zweier Nukleonen mit sechs Quarks hat jedes Quark aber erheblich mehr Freiheitsgrade im niedrigsten Zustand (Bahndrehimpuls l=0): neben Spin (2 Zustände) noch eine Farbladung (3 Zustände) und Isospin (2 Zustände), zusammen also 12, auf die sich die sechs Quarks nach dem Pauli-Prinzip verteilen können. Das Pauli-Prinzip ist hier nicht unmittelbar für die Abstoßung verantwortlich, die sich unterhalb etwa 0,8 fm bemerkbar macht. Der Grund liegt vielmehr in der starken Spin-Spin-Wechselwirkung der Quarks, die sich augenfällig darin ausdrückt, dass die Delta-Resonanz (mit parallelen Spins der drei Quarks) eine um etwa ein Drittel höhere Masse als das Proton hat. Stehen also die Spins der Quarks parallel zueinander, so nimmt die potentielle Energie des Systems zu. Dies gilt auch bei sich überlappenden Nukleonen, und zwar umso stärker, je geringer der Abstand der Nukleonen voneinander ist. Versuchen die Quarks durch Umkehrung des Spins ihre chromomagnetische Energie zu minimieren, gelingt dies nur durch Übergang in einen energetisch höheren Bahndrehimpulszustand (l=1).

Mit noch größerem Abstand voneinander gelangen die Nukleonen in den anziehenden Teil der starken Wechselwirkung. Hierbei spielt weniger der Quark-Quark-Austausch (zwei Quarks sind gleichzeitig beiden beteiligten Nukleonen zugeordnet), den man in Analogie zur kovalenten Bindung erwartet, eine Rolle, als vielmehr der von farbneutralen Quark-Antiquark-Paaren (Mesonen) aus dem Seequark-Anteil der Nukleonwellenfunktion in der QCD.

Eine vollständige Beschreibung der Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist jedoch bisher nicht möglich.

Einordnung der starken Wechselwirkung Bearbeiten

Fundamentale Wechselwirkungen und ihre Beschreibungen
(Theorien in frühem Stadium der Entwicklung sind grau hinterlegt.)
Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitation
klassisch Elektrostatik Magnetostatik Newtonsches Gravitationsgesetz
Elektrodynamik Allgemeine Relativitätstheorie
quanten-
theoretisch 		Quanten­chromodynamik
(Standardmodell) 		Quanten­elektrodynamik Fermi-Theorie Quanten­gravitation (?)
Elektroschwache Wechselwirkung
(Standardmodell)
Große vereinheitlichte Theorie (?)
Weltformel („Theorie von Allem“) (?)

Literatur Bearbeiten

  • Manfred Böhm, Ansgar Denner, Hans Joos: Gauge theories of the strong and electroweak interaction, Teubner-Verlag, Stuttgart 2001, ISBN 978-3-519-23045-8 (deutsches Original: Becher-Böhm-Joos, Eichtheorien der starken und elektroschwachen Wechselwirkung) – ein Standardwerk für die Theorie
  • Bogdan Povh, Klaus Rith, Christoph Scholz, Frank Zetsche Teilchen und Kerne, 8. Auflage, Springer Verlag 2009
  • Wolfgang Wild Kernkräfte und Kernstruktur, Teil 1,2, Physikalische Blätter 1977, S. 298, 356, Teil 1, Teil 2

Weblinks Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Die Gesamtwellenfunktion ist antisymmetrisch und damit muss, da der Farbanteil immer antisymmetrisch ist (Gesamtfarbladung Null) bei symmetrischer Raum-Wellenfunktion (Bahndrehimpuls 0) der Spin-Isospin-Anteil auch symmetrisch sein
  2. Diskussion nach Povh, Rith, Schulze, Zetsche Teilchen und Kerne, S. 250f, dort nach Amand Fäßler
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Veröffentlichungsdatum:
Die starke Wechselwirkung auch starke Kraft Gluonenkraft Farbkraft ist eine der vier Grundkrafte der Physik Mit ihr wird die Bindung zwischen den Quarks in den Hadronen erklart Ihre Austauschteilchen sind die Gluonen Vor der Einfuhrung des Quark Modells wurde als starke Wechselwirkung lediglich die Anziehungskraft zwischen den Nukleonen des Atomkerns bezeichnet d h Protonen und Neutronen Auch heute noch ist mit der starken Wechselwirkung oft nur diese Restwechselwirkung gemeint aus historischen Grunden auch Kernkraft oder starke Kernkraft genannt Feynman Diagramme zu den fundamentalen Kopplungsmoglichkeiten der starken Wechselwirkung a Abstrahlung eines Gluons b Aufspaltung eines Gluons c d Selbstkopplung der Gluonen Inhaltsverzeichnis 1 Bindung zwischen Quarks 2 Bindung zwischen Nukleonen 2 1 Erklarung der Restwechselwirkung 3 Einordnung der starken Wechselwirkung 4 Literatur 5 Weblinks 6 EinzelnachweiseBindung zwischen Quarks Bearbeiten nbsp Wechselwirkung innerhalb eines Neutrons Beispiel Die Gluonen sind dargestellt als Punkte mit der Farbladung im Zentrum und der Antifarbe am Rand Nach der Quantenchromodynamik im Folgenden QCD wird die starke Wechselwirkung wie die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung durch den Austausch von Eichbosonen beschrieben Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung werden als Gluonen bezeichnet von denen es acht Sorten unterschiedliche Farbladungszustande gibt Die Gluonen ubertragen eine Farbladung zwischen den Quarks Ein Gluon kann dabei mit anderen Gluonen interagieren und Farbladungen austauschen nbsp Potential zwischen zwei Quarks in Abhangigkeit ihres Abstands Zusatzlich sind die mittleren Radien verschiedener Quark Antiquark Zustande gekennzeichnet Die Anziehungskraft zwischen Quarks bleibt auch bei steigender Entfernung konstant anders als z B bei der Coulombkraft bei der es mit steigendem Abstand immer leichter wird zwei sich anziehende Teilchen zu trennen Sie ist damit grob vergleichbar mit einem Gummiseil oder einer Zugfeder Wird der Abstand zu gross reisst das Seil in dieser Analogie und es wird ein Meson gebildet durch Erzeugung eines Quark Antiquark Paares aus dem Vakuum Bei kleinem Abstand konnen die Quarks wie freie Teilchen betrachtet werden asymptotische Freiheit Mit grosserem Abstand bewirkt die zunehmende Wechselwirkungsenergie dass die Quarks den Charakter selbststandiger Teilchen verlieren weswegen sie nicht als freie Teilchen beobachtet werden konnen Confinement Bindung zwischen Nukleonen BearbeitenObwohl Nukleonen immer die Farbladung null haben gibt es zwischen ihnen eine Restwechselwirkung oder Kernkraft entfernt vergleichbar den Van der Waals Kraften die man als elektromagnetische Restwechselwirkungen zwischen elektrisch neutralen Atomen und oder Molekulen ansehen kann Die Reichweite der Anziehung durch die Restwechselwirkung liegt bei etwa 2 5 Femtometern fm Bei diesem Wert des Abstands r displaystyle r nbsp ist sie vergleichbar stark wie die elektrische Abstossung Coulombkraft zwischen den Protonen und bei kurzeren Abstanden ist sie starker als die Coulombkraft Oberhalb dieses Abstandes dagegen nimmt die Anziehung schneller ab als die Coulombkraft die proportional zu 1 r 2 displaystyle 1 r 2 nbsp sinkt Dieses Zusammenspiel der beiden Grundkrafte erklart den Zusammenhalt und die Grossenordnung der Atomkerne aber z B auch die Spaltung schwerer Kerne Auf sehr kurze Abstande wirkt die Kernkraft abstossend entsprechend einem harten Kern Hard Core von 0 4 bis 0 5 fm Ausserdem ist sie Spin abhangig sie ist starker bei parallelen Spins als bei antiparallelen so dass das Deuteron bestehend aus einem Neutron und einem Proton nur fur parallele Spins Gesamtspin 1 gebunden ist und Diproton und Dineutron mit antiparallelen Spins aufgrund des Pauli Prinzips nicht gebunden sind Neben dem Zentralpotential Anteil und dem Spin Spin Wechselwirkungsanteil hat sie auch einen Tensoranteil und einen Spin Bahn Anteil Vor der Einfuhrung des Quark Modells wurden die Restwechselwirkung und ihre geringe Reichweite mit einer effektiven Theorie erklart durch eine Yukawa Wechselwirkung zwischen Nukleonen und Pionen Pion Austauschmodell Die geringe Reichweite wird durch die von Null verschiedene Masse der Pionen erklart die im Yukawa Potential zu einer exponentiellen Abschwachung auf grosseren Abstanden fuhrt Ausserdem wurde in den Nukleon Nukleon Potential Modellen der Austausch weiterer Mesonen berucksichtigt wie dem Rho Meson Da Berechnungen der Kernkraft mit der QCD bisher nicht moglich sind benutzt man zum Beispiel in der Beschreibung der Nukleon Nukleon Streuung verschiedene phanomenologisch angepasste Potentiale die auf Mesonenaustauschmodellen basieren wie das Bonn Potential Erklarung der Restwechselwirkung Bearbeiten nbsp Feynman Diagramm einer starken Proton Neutron Wechselwirkung vermittelt durch ein neutrales Pion Die Zeit Achse verlauft von links nach rechts nbsp Dasselbe Diagramm mit den einzelnen Konstituenten Quarks gezeigt um darzustellen wie die fundamentale starke Wechselwirkung eine Kernkraft erzeugt Gerade Linien sind Quarks vielfarbige Schleifen Gluonen Trager der Grundkraft Andere Gluonen welche Proton Neutron und Pion im Flug zusammenhalten sind nicht dargestellt nbsp Eine Animation der Wechselwirkung die zwei kleinen farbigen Punkte sind Gluonen Anti Farben konnen diesem Diagramm entnommen werden grossere Version Zwischen Atomen ist das abstossende Potential bei kleinen Abstanden eine Folge des Pauli Prinzips fur die Elektronenzustande Bei Annaherung zweier Nukleonen mit sechs Quarks hat jedes Quark aber erheblich mehr Freiheitsgrade im niedrigsten Zustand Bahndrehimpuls l 0 neben Spin 2 Zustande noch eine Farbladung 3 Zustande und Isospin 2 Zustande zusammen also 12 auf die sich die sechs Quarks nach dem Pauli Prinzip verteilen konnen 1 Das Pauli Prinzip ist hier nicht unmittelbar fur die Abstossung verantwortlich die sich unterhalb etwa 0 8 fm bemerkbar macht Der Grund liegt vielmehr in der starken Spin Spin Wechselwirkung der Quarks die sich augenfallig darin ausdruckt dass die Delta Resonanz mit parallelen Spins der drei Quarks eine um etwa ein Drittel hohere Masse als das Proton hat Stehen also die Spins der Quarks parallel zueinander so nimmt die potentielle Energie des Systems zu Dies gilt auch bei sich uberlappenden Nukleonen und zwar umso starker je geringer der Abstand der Nukleonen voneinander ist Versuchen die Quarks durch Umkehrung des Spins ihre chromomagnetische Energie zu minimieren gelingt dies nur durch Ubergang in einen energetisch hoheren Bahndrehimpulszustand l 1 2 Mit noch grosserem Abstand voneinander gelangen die Nukleonen in den anziehenden Teil der starken Wechselwirkung Hierbei spielt weniger der Quark Quark Austausch zwei Quarks sind gleichzeitig beiden beteiligten Nukleonen zugeordnet den man in Analogie zur kovalenten Bindung erwartet eine Rolle als vielmehr der von farbneutralen Quark Antiquark Paaren Mesonen aus dem Seequark Anteil der Nukleonwellenfunktion in der QCD Eine vollstandige Beschreibung der Kernkraft aus der Quantenchromodynamik ist jedoch bisher nicht moglich Einordnung der starken Wechselwirkung BearbeitenFundamentale Wechselwirkungen und ihre Beschreibungen Theorien in fruhem Stadium der Entwicklung sind grau hinterlegt Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitationklassisch Elektrostatik Magnetostatik Newtonsches GravitationsgesetzElektrodynamik Allgemeine Relativitatstheoriequanten theoretisch Quanten chromodynamik Standardmodell Quanten elektrodynamik Fermi Theorie Quanten gravitation Elektroschwache Wechselwirkung Standardmodell Grosse vereinheitlichte Theorie Weltformel Theorie von Allem Literatur BearbeitenManfred Bohm Ansgar Denner Hans Joos Gauge theories of the strong and electroweak interaction Teubner Verlag Stuttgart 2001 ISBN 978 3 519 23045 8 deutsches Original Becher Bohm Joos Eichtheorien der starken und elektroschwachen Wechselwirkung ein Standardwerk fur die Theorie Bogdan Povh Klaus Rith Christoph Scholz Frank Zetsche Teilchen und Kerne 8 Auflage Springer Verlag 2009 Wolfgang Wild Kernkrafte und Kernstruktur Teil 1 2 Physikalische Blatter 1977 S 298 356 Teil 1 Teil 2Weblinks BearbeitenMarc Gansler Die starke Wechselwirkung In Einfuhrung Die 4 Grundkrafte der Physik abgerufen 30 Januar 2009 Gluonen und die starke Kraft DESYs Kwork Quark Teilchenphysik fur alle Einzelnachweise Bearbeiten Die Gesamtwellenfunktion ist antisymmetrisch und damit muss da der Farbanteil immer antisymmetrisch ist Gesamtfarbladung Null bei symmetrischer Raum Wellenfunktion Bahndrehimpuls 0 der Spin Isospin Anteil auch symmetrisch sein Diskussion nach Povh Rith Schulze Zetsche Teilchen und Kerne S 250f dort nach Amand FasslerDie vier Grundkrafte der Physik Starke Wechselwirkung Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Gravitation Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Starke Wechselwirkung amp oldid 223718497