Die Struktur der Materie im Überblick

Objekte sichtbar machen

• bloßes Auge: ~ 1mm

Immer noch keine Bausteine sichtbar

Wie groß sind die eigentlich ?

• Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert

• Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert

• Was heisst überhaupt „sehen“ ?• Sehen = Abbilden

Wie kann man 0.001 µm „sehen“?

• Wichtig: „Auflösungsvermögen“ • Dazu nötig:1. Größe der Projektile << Größe der

Strukturen2. Treffgenauigkeit << Größe der

Strukturen

Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweisdetektor

Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle

• Projektil: Tennisbälle

• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

Objekte mit Wellen sichtbar machen

Verfügbare Wellenlängen

eletromagnetische Wellen

LW 3000 m

MW 300 m

KW 30 m

UKW 3 m

GPS 0.3 m

Infrarot 10-6 m

Licht 5 10-7 m

2 eV

UV 10-7 m 10 eV

Röntgen Strahlung 10-10 m 104 eV

γ-Strahlung 10-12 m 106 eV

hc

hE

Erkenntnisse der Quantenphysik

Entdeckung:Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft

(Photoeffekt)

phc

hE

Entdeckung:Teilchen haben Welleneigenschaft

(Elektronenmikroskop)

p

h

Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung

h

e-

e-

e-

e-

h

Elektron Energie

Emax= h- eUwork

Elektron Energie

Ee= h- Ebinding

Huygens: Welle

Interferenz und Beugungz.B. Thomas YoungDoppelspalt (1801)

He*

inkohärent l = 0.47 Å

Eintrittsschlitz 2mm

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

•angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis•Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein•Schlitze!!

Atome als Wellen

Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm

• Sichtbare Lichtteilchen (!) (!) (Photonen bei 0.25-0.5 eV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)

• Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Punktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius)Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar

• Elektronen bei 20 keVPunktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) (!) )

• Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fmTreffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)

• ...

allgemeiner Zusammenhang:

1 eV für Auflösung 10-6 m

1 keV für Auflösung 10-9 m

1 MeV

für Auflösung 10-12 m

1 GeV

für Auflösung 10-15 m

1 TeV für Auflösung 10-18 m

E/1

MeVEm /1024.1 12

Energie:1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 1019 Joule

Die Mikroskope der Teilchenphysiker: Beschleuniger

Objekt Größe Energie

Kristall 10-6 m 1 eV (Lichtmikroskop)

Molekül 10-9 m 1 keV=103 eV (Elektronenmikroskop)

Atom 10-10 m 10 keV=104 eV

Atomkern 10-14 m 100 MeV=108 eV

Proton 10-15 m 1 GeV=109 eV

Quark/Elektron

<10-18 m 1 TeV=1012 eV

1 eV=1.6 10-19 Joule

Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

• Haben Sie auch daheim!

• Funktionsprinzip:Simulation

• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in

Betrieb)• DESY, Hamburg (in

Planung)

Die Struktur des Atoms

• 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie

Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: 100.000 fm

harter Kern: 5 fm

• 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen

• 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen• kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen• umgeben von riesiger Elektronenhülle

Bausteine der Atomkerne

Das Quark-Gluon-Plasma

Das Quark-Gluon-Plasma

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

Elektronische Bilder

CERN, Genf, bis 2000

Suche nach Bausteinen der Materie Blasenkammeraufnahme

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d– Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?

• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?