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2025-01-05T06:27:23Z

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{{Dieser Artikel|befasst sich mit Teilchen in der Physik. Für weitere Bedeutungen siehe [[Teilchen (Begriffsklärung)]].}}

In der [[Physik]] bezeichnet man als '''Teilchen''' einen Körper, der klein gegenüber dem [[Abbildungsmaßstab|Maßstab]] des betrachteten Systems ist. Die innere [[Struktur (erste Stufe)|Struktur]] eines einzelnen Teilchens spielt dabei keine Rolle, sondern lediglich sein Verhalten als Ganzes gegenüber anderen Teilchen oder äußeren Einflüssen. Oft werden die Teilchen dann als ausdehnungslose '''Punktteilchen''' (im Sinne von [[Punktmasse]]n) aufgefasst. Teilchen sind [[ideales Objekt|ideale Objekte]]. In der Regel beschränkt man sich nur auf bestimmte Eigenschaften des realen physikalischen Objekts, wie die [[Masse (Physik)|Masse]] oder die [[elektrische Ladung]], um die Wechselwirkung zu studieren, die mit dieser Eigenschaft zusammenhängt. Je nach Betrachtungsweise kann also ein und dasselbe physikalische Objekt als Teilchen oder als System von Teilchen angesehen werden. Das gilt insbesondere für [[Atom]]e, aber auch für Atomkerne und auch für die [[Proton]]en und [[Neutron]]en. Teilchen, die nicht aus kleineren Bestandteilen zusammengesetzt sind, werden [[Elementarteilchen]] genannt.

== Überblick ==
In der [[Quantenmechanik]] wird ein Teilchen durch eine [[Wellenfunktion]] dargestellt, deren [[Amplitude]] die [[Aufenthaltswahrscheinlichkeit]] des Teilchens angibt (siehe ''[[#Quantenmechanische Sichtweise|Quantenmechanische Sichtweise]]'').

In der [[Festkörperphysik]] redet man sowohl bei den Gitteratomen von Teilchen als auch bei den Wellen, mit denen sich deren Anregungen über einem Grundzustand ausbreiten. Dies führt dazu, dass dabei eine Vielzahl von Erscheinungen als Teilchen idealisiert werden, deren Verhalten so anschaulicher beschrieben werden kann: So werden in der quantenphysikalischen Beschreibung die Anregungen eines Kristallgitters als Teilchen aufgefasst, beispielsweise als [[Polaron]]en, [[Exciton]]en oder [[Phonon]]en. [[Defektelektron|Löcher]] in den ansonsten voll besetzten Energiebändern der Elektronen in einem [[Halbleiter]] weisen die Charakteristika von Teilchen auf und werden wie positiv geladene Teilchen behandelt.<ref>Konrad Kopitzki: ''Einführung in die Festkörperphysik.'' Teubner, ISBN 3-519-13083-1.</ref>

== Verwandte Begriffe ==
Der Begriff ''Partikel'' ist im Allgemeinen nicht für Teilchen zu verwenden. In bestimmten Bereichen werden diese beiden Begriffe andererseits vollkommen synonym gebraucht:
* Verbünde von wenigen Tausenden Atomen oder Molekülen werden synonym als ''[[Nanoteilchen]]'' oder ''Nanopartikel'' bezeichnet.
* Die Bezeichnungen ''[[Partikeltherapie]]'' und ''Teilchentherapie'' werden synonym verwendet, obwohl die dabei eingesetzten Protonen und anderen Ionen in der Physik immer nur ''Teilchen'' genannt werden. Die in der Medizin hier verwendete Bezeichnung ''Partikel'' geht auf das englische ''particle'' zurück.

In der [[Hydrodynamik]] ist mit ''Teilchen'' manchmal ein [[Volumenelement]] des [[Fluid]]s gemeint.<ref>Michael Bestehorn: ''Hydrodynamik und Strukturbildung.'' Springer 2006, ISBN 3-540-33796-2, Fußnote auf Seite 13.</ref> Dieses Teilchen ist zwar „klein“, aber [[makroskopisch]], d. h., es enthält so viele [[Molekül]]e, dass ihm außer den mechanischen Eigenschaften Ort und Impuls auch Eigenschaften der [[Thermodynamik]] wie [[Druck (Physik)|Druck]], [[Temperatur]] und [[Entropie (Thermodynamik)|Entropie]] zugeschrieben werden können.

Die Bezeichnung ''Korpuskel'' für Teilchen ist veraltet. Sie tritt beispielsweise in der historischen Auseinandersetzung zwischen [[Korpuskeltheorie]] und Wellentheorie bei der Beschreibung des Lichts auf.<ref>[[Christian Gerthsen]], [[Hans Otto Kneser|Hans O. Kneser]], [[Helmut Vogel (Physiker)|Helmut Vogel]]: ''[[Gerthsen Physik|Physik]].'' Springer, ISBN 3-540-16155-4, Kap. 16 Quantenmechanik.</ref>

Im [[µm]]-Bereich bewegt sich die [[Abmessung|Ausdehnung]] von [[Staub]]partikeln.

== Historischer Abriss ==
Im 5. Jahrhundert v. Chr. postulierte [[Demokrit#Atomistischer Materialismus|Demokrit]], dass die Materie aus kleinsten, unteilbaren Einheiten zusammengesetzt ist.<ref>Sousanna-Maria Nikolaou: ''Die Atomlehre Demokrits und Platons Timaios. Eine vergleichende Untersuchung.'' Stuttgart 1998. ISBN 3-519-07661-6. Beiträge zur Altertumskunde, Band 112.</ref> Diesem Gedanken folgend verwendete [[John Dalton]] 1803 für die kleinsten, seiner Meinung nach untrennbaren Teilchen die Bezeichnung [[Atom]] (von [[Altgriechische Sprache|altgriechisch]] {{lang|grc|ἄτομος}} ''{{lang|grc-Latn|átomos}}'' „nicht zerschneidbar, unteilbar“).

Atome als untrennbare Teilchen zu betrachten, ergibt in der [[Chemie]] durchaus Sinn. Sie werden als Objekte verwendet, von denen man als Eigenschaft zunächst nur die Massezahl betrachtet. Ordnet man sie nach der Massezahl (ohne dabei zu wissen, dass diese Ordnungszahl dabei gleichzeitig die Kernladungszahl ist!) und betrachtet die chemischen Eigenschaften der so sortierten Elemente, dann erhält man das [[Periodensystem]].<ref>C. Gerthsen, H. O. Kneser, H. Vogel: ''Physik.'' Springer, ISBN 3-540-16155-4, Kap. 12.6.1 Das Periodensystem der Elemente.</ref> Diese Einschränkung auf einzelne Eigenschaften ist durchaus wesentlich für alle Verwendungen des Begriffs Teilchen in der Physik.

Es dauerte von Daltons Zeit ein weiteres Jahrhundert ([[Atom#Teilbarkeit und Aufbau der Atome|siehe den geschichtlichen Abriss unter Atom]]), bis Zweifel an dieser Unteilbarkeit der Atome aufkamen: [[Marie Curie]] erkannte, dass ein radioaktives Element in ein anderes übergehen kann; [[Ernest Rutherford]] konnte in [[Rutherford-Streuung#Rutherfordscher Streuversuch (Manchester, 1909–1913)|seinem Streuexperiment]] zeigen, dass die mit Alphastrahlung beschossene Goldfolie weitgehend durchlässig ist. In der Betrachtung des Rutherford-Experiments werden sowohl die einfallenden Alpha-Teilchen als auch die im Gitter festsitzenden, positiv geladenen Atomkerne als Teilchen idealisiert (es könnten genauso geladene Billardkugeln sein), von denen man nur wenige Eigenschaften betrachtet: die Masse, die Ladung, den Durchmesser und die Geschwindigkeit. Es spielt bei diesem Experiment keine Rolle, ob die Atomkerne irgendeine weitere Struktur besitzen, oder ob sie aus weiteren, kleineren Teilchen zusammengesetzt sind. Diese wenigen Eigenschaften der betrachteten Teilchen reichen für die Beschreibung des Experiments und die theoretische Herleitung des Streumusters aus.<ref>C. Gerthsen, H. O. Kneser, H. Vogel: ''Physik.'' Springer, ISBN 3-540-16155-4, Kap. 13.1.2 Die Entdeckung des Atomkerns.</ref>

Bei der Betrachtung des [[Bohrsches Atommodell|Bohrschen Atommodells]] sind die betrachteten Teilchen ein Elektron und ein Atomrumpf (bestehend aus dem Atomkern und möglicherweise weiteren Elektronen). Wiederum werden die Teilchen auf ihre wesentlichen Eigenschaften, Ladung und Masse, reduziert.

[[Otto Hahn]], [[Lise Meitner]] und [[Fritz Straßmann]] gelang es nachzuweisen, dass bei Beschuss von Uran-Atomen mit Neutronen nicht nur durch Erhöhung der Massezahl Transurane (mit höherer Kernladungszahl) entstehen, wie man bis dahin annahm (siehe [[Enrico Fermi]], 1934<ref>[[Enrico Fermi]]: ''Possible production of element of atomic number higher than 92.'' In: ''Nature.'' Band 133, 1934, S. 898–899.</ref><ref>C. Gerthsen, H. O. Kneser, H. Vogel: ''Physik.'' Springer, ISBN 3-540-16155-4, Kap. 13.1.6 Kernspaltung.</ref>), sondern manchmal eine [[Kernspaltung]] in mittelgroße Atomkerne stattfindet. Hier lässt sich der Kern nicht mehr als ein einzelnes Teilchen verstehen, sondern nur als aus [[Nukleon]]en, also [[Proton]]en und [[Neutron]]en zusammengesetzt. Weitere wichtige Teilchen in der [[Kernphysik]] sind [[Alpha-Teilchen]], [[Elektron]]en und [[Neutrino]]s. Es stellt sich schnell die Frage, was denn die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält, da ja die Protonen alle positiv geladen sind und sich abstoßen müssten. Diese [[starke Wechselwirkung]] wird dadurch erklärt, dass man in der [[Quantenchromodynamik]] die Nukleonen jeweils als aus drei Quarks zusammengesetzt sieht, die von [[Gluon]]en (von [[Englische Sprache|englisch]] to glue „zusammenkleben“) zusammengehalten werden. Die Restwechselwirkung dieser Kraft außerhalb der Nukleonen hält diese ähnlich zusammen, wie die [[Van-der-Waals-Kräfte]] z. B. [[Wassermolekül]]e zusammenhalten.<ref>Klaus Grotz und Hans V. Klapdor: ''Die schwache Wechselwirkung in Kern-, Teilchen- und Astrophysik.'' Teubner Studienbücher, ISBN 3-519-03035-7.</ref><ref>[[Theo Mayer-Kuckuk]]: ''Kernphysik.'' Teubner Verlag, ISBN 3-519-13223-0.</ref>

== Subatomare Teilchen und Standardmodell ==
{{Hauptartikel|Subatomares Teilchen|Standardmodell}}
Die [[Teilchenphysik]] unterscheidet zwischen den Materieteilchen und den Wechselwirkungsteilchen ([[Austauschteilchen]]), sowie bei den Materieteilchen zwischen den [[Elementarteilchen]] und den zusammengesetzten Teilchen.

Die Elementarteilchen werden durch das [[Standardmodell|Standardmodell der Elementarteilchenphysik]] beschrieben. Da es sich bei diesem Modell um eine Quantenfeldtheorie handelt, werden hier die Teilchen als Feldquanten, d. h. als gequantelte Energiemengen von Feldern aufgefasst. Die Frage, ob die Teilchen oder die Felder letztlich das „Fundamentalere“ in der Natur sind, wird bis heute (2018) kontrovers diskutiert. Die meisten Physiker sind allerdings der quantenfeldtheoretischen Ansicht, dass es keine lokalisierten Teilchen gibt, sondern nur Felder (und deren Quanten, die räumlich so ausgedehnt sind wie das Feld selbst).<ref>{{Literatur|Autor= Art Hobson|Titel=Es gibt keine Teilchen, es gibt nur Felder|Originaltitel= There are no particles, there are only fields|Sammelwerk= Am. J. Phys.|Band= 81|Nummer= 3|Seiten= 211–223|Originaljahr= 2013|DOI=10.1119/1.4789885|Originalsprache=en|Online=https://www.moderne-physik.eu }}</ref>

Die elementaren Felder bzw. ihre Quanten gliedern sich im Standardmodell in drei Familien von [[Lepton]]en und drei Familien von [[Quark (Physik)|Quarks]]. Die Leptonen (von [[Griechische Sprache|griechisch]] λεπτος (leptos) „leicht, fein“) sind das [[Elektron]] und sein [[Neutrino]], das [[Myon]] und sein Neutrino, sowie das [[τ-Lepton|Tau]] und sein Neutrino. Die Familien der Quarks werden mit ''up'' und ''down'', ''charm'' und ''strange'', sowie ''top'' und ''bottom'' bezeichnet.

Quarks können in der Natur nicht einzeln auftreten, was als [[Confinement|Farb-Confinement]] bezeichnet wird (siehe [[Starke Wechselwirkung#Bindung zwischen Quarks|hier]]). Vielmehr bilden sie immer zusammengesetzte Teilchen, die in Abgrenzung von den Leptonen als [[Hadronen]] (von [[Griechische Sprache|griechisch]] ἁδρός, ''hadrós'', „dick“) bezeichnet werden. Hadronen werden dabei in Mesonen (von [[Griechische Sprache|griechisch]] μεσος ''mesos'' „Mittel-“) und in Baryonen (von [[Griechische Sprache|griechisch]] βαρύς ''barys'' „schwer“) unterteilt. Mesonen bestehen aus einem Quark und einem Antiquark, Baryonen aus drei Quarks. Die bekanntesten Baryonen sind das Proton und das Neutron.

Bei den Austauschteilchen betrachtet das Standardmodell das [[Photon]] als das Austauschteilchen der [[elektromagnetische Wechselwirkung|elektromagnetischen Wechselwirkung]]. Es ist sehr eng mit den [[W-Boson]]en und dem [[Z-Boson]] verwandt, die gemeinsam mit dem Photon die Austauschteilchen für die [[elektroschwache Wechselwirkung]] sind. Die Austauschteilchen für die starke Wechselwirkung sind die Gluonen.<ref>[[Harald Fritzsch]]: ''Elementarteilchen. Bausteine der Materie.'' C.H.Beck Verlag, ISBN 978-3-406-50846-2.</ref><ref>[[Bogdan Povh]], [[Klaus Rith]], C. Scholz, F. Zetsche: ''Teilchen und Kerne.'' Springer Verlag, ISBN 978-3-540-68075-8.</ref>

Von den vier [[Grundkräfte der Physik|Grundkräften der Physik]] fehlt dabei im Standardmodell die [[Gravitation]] und ihr Austauschteilchen, das [[Graviton]]. Die Ergebnisse des Standardmodells stimmen sehr gut mit Ergebnissen von Beschleunigerexperimenten überein. Jedoch ist es bisher nicht gelungen, denselben mathematischen Formalismus auch auf die Gravitation auszudehnen. Dies ist eine der großen offenen Fragen der [[Theoretische Physik|Theoretischen Physik]].<ref>[[Lee Smolin]]: ''The Trouble with Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next.'' ISBN 0-618-91868-X.</ref>

Im Standardmodell erhalten die Teilchen durch Wechselwirkung mit dem [[Higgs-Feld]] ihre Masse.

== Quantenmechanische Sichtweise ==
Beim Übergang zur Quantenmechanik werden aus Teilchen Wellen, die ihre Aufenthaltswahrscheinlichkeiten beschreiben. Trifft z. B. Licht (oder ein Elektronenstrahl) auf einen [[Doppelspaltexperiment|Doppelspalt]], so bildet diese Welle hinter dem Spalt ein Beugungsmuster. Auf einem Fotopapier (oder Schirm) wird das auftreffende Licht (der Elektronenstrahl) immer nur einzelne Punkte treffen. Erst im stochastischen Mittel vieler auftreffender Photonen (Elektronen) wird wieder das Beugungsmuster sichtbar. Diese gleichzeitige Interpretation als Welle und Teilchen wird als [[Welle-Teilchen-Dualismus]] bezeichnet.

Im Gegensatz zur Klassischen Mechanik, in der der Zustand des Teilchens durch Ort und Impuls festgelegt ist, können Ort und Impuls in der Quantenmechanik nie gleichzeitig genau gemessen werden (siehe [[Heisenbergsche Unschärferelation]]).

In Mehrteilchensystemen werden die Teilchen durch die Anwendung eines [[Erzeugungsoperator]]s aus einem [[Quantenfeldtheorie#Feldquantisierung|Vakuumzustand]] erzeugt. Solche Operatoren spielen insbesondere in der [[Quantenfeldtheorie]] eine Rolle. Zwischen den Anfangs- und Endzuständen physikalischer, wechselwirkender Teilchen können dabei [[Virtuelles Teilchen|virtuelle Teilchen]] entstehen und wieder verschwinden, die keiner [[Energie-Impuls-Relation]] genügen und deren Energie keine untere Schranke hat.

Der Teilchenbegriff in der [[Mathematische Physik|Mathematischen Physik]] erstreckt sich von Zuständen in [[Hilbertraum|Hilbert-Räumen]], auf denen man [[Algebra|Algebren]] von Operatoren betrachtet, bis hin zu Wellen, bei denen beispielsweise ein bestimmtes Streuverhalten berechnet werden kann. Hierzu zählen unter anderem [[Solitonen]], bei denen es sich um nicht auseinanderlaufende Wellen handelt.<ref>Philip. G. Drazin, Robin S. Johnson: ''Solitons. An Introduction.'' Cambridge University Press, ISBN 0-521-33389-X.</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Physikalisches Grundkonzept]]
[[Kategorie:Teilchen| ]]

[[el:Σωματίδιο]]

Teilchen - Versionsgeschichte

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