unterschied materie/antimaterie

Hey jonny,

in der Quantenphysik existieren bestimmte Symmetrien. Diese führen dazu, dass es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen gibt, welches in den sogenannten "additiven Quantenzahlen" wie Ladung oder magnetischem Moment dem Teilchen entgegengesetzt ist, aber in den "nicht-additiven Quantenzahlen" wie Masse gleich ist.

Weiterhin gibt es Erhaltungssätze, wie z.B. denjenigen der Lepton- und Baryonzahl. Paarvernichtung und Paarerzeugung sind eigentlich der gleiche Prozess, nur eben in umgedrehter Richtung. Manche Teilchen, das Photon z.B., sind nämlich ihre eigenen Antiteilchen. Man macht also sozusagen aus Photon und "Antiphoton" ein Elektron und Antielektron (=Positron) und umgekehrt. Da nun Elektronen Leptonen aber Protonen Baryonen sind, und ausserdem beides Materieteilchen, kann ein Elektron nicht mit einem Proton Paarvernichtung machen.

Was aber geht ist die Umwandlung von Elektron und Proton zu einem Neutron (und Neutrino -> wieder die Leptonzahlerhaltung). Das nennt man inversen Betazerfall, und ein derartiger Prozess spielt bei Kernkollaps-Supernovae eine Rolle: Die Elektronen werden in die Protonen gepresst, es entsteht ein Neutronenstern und eine immenser Neutrinopuls, der die Supernova mitantreibt. Genau das hat man bei SN1987A direkt gesehen.

Elektron und Positron können für eine bestimmte Zeit einen gebundenen Zustand bilden den Du richtig beschreibst. Man nennt das Ding dann "Positronium", und wenn sich die beiden schliesslich doch treffen entsteht hier die "Positroniumlinie" bei 511keV (=Ruhemasse Elektron/Positron), welche man z.B. mit Integral aus Richtung des galaktischen Bulges beobachtet (vermutlich wurde die Antimaterie hier zu einem Teil durch Röntgendoppelsterne, sogenannte "LMXBs", sowie Supernovae, erzeugt).

Viele Grüsse,
DK

Hi jonny,
die Ähnlichkeit Positronium zu Wasserstoffatom kann man so weit eigentlich nicht erfolgreich treiben. Schliesslich sind Elektron und Positron ihre jeweiligen Antiteilchen, Elektron und Proton aber nicht. Wegen Lepton- und Baryonzahlerhaltung ist im ersteren Fall die Annihilation in 2 Photonen erlaubt und auch energetisch derart stark bevorzugt (beinahe die kompletten 511keV), dass das Positronium in jedem Fall sehr schnell durch Annihilation in Photonen übergeht.

(Übrigens hat bei näherer quantenmechanischer Betrachtung (Orbitalmodell) auch beim Wasserstoffatom das Elektron eine endliche Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern, dies ist eines der berühmtesten Beispiele für die Grenzen des Bohr'schen Modells...)

Viele Grüsse,
DK

Hi,
worauf genau bezieht sich denn die Frage? Das Wasserstoffatom im Orbitalmodell oder aber die Positronium-Lebensdauer? Das sind wie gesagt nur oberflächlich ähnliche Dinge, physikalisch ist da schon ein bedeutender Unterschied...
Viele Grüsse,
Dominik

Hi,

ok, mathematisch sähe das so aus:
Man nimmt den Kern als feststehend da "undendlich" massereich verglichen mit dem Elektron an. Für die Wechselwirkung ist dann das Coulombpotential zu betrachten.
Folglich erhält man den Hamiltonoperator H = p^2/2m + V(r). Schrödingergleichung H*Psi_nlm(r, theta, phi) = E_nlm*Psi_nlm(r, theta, phi) mit Psi_nlm als Produkt aus den Kugelflächenfunktionen ist ja bekannt. Das kann man in einen nur radiusabhängigen und nur winkelabhängigen Teil zerlegen. Für n=1 l=0 m=0 als "erstes" findet man sofort Psi_nlm = 1/sqrt(Pi) (Z/a_0) exp(-Z*r/a_0). Z ist Kernladungszahl und für a_0 nimmt man den Bohr'schen Atomradius. Wichtig ist dass die Wellenfunktion (deren Betragsquadrat man mit der "Aufenthaltswahrscheinlichkeitsdichte" des Elektrons identifiziert) im unendlichen asymptotisch gegen null geht, aber im Kern (r=0) einen endlichen Wert hat.
Dieses Modell stimmt mit Beobachtungen schon sehr gut überein.
Viele Grüsse,
DK

Hi jonny,

der Bohr'sche Radius ist hier lediglich eine Konstante in der Funktion, deren Zahlenwert auf das Verhalten (und damit die Aufenthaltswahrscheinlichkeit, die man ja so und so normieren wird) der Funktion keinen qualitativen Einfluss hat. Wichtig ist hier allein das e hoch minus Abstand, was bedeutet Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist bei r=0 *maximal* (wäre e hoch minus null gleich eins durch e hoch null gleich eins durch eins gleich eins) und bei r=unendlich "null", ganz egal mit welchen Konstanten Faktoren wie Z, a_0 oder Pi ich das noch multipliziere.

Zu "Kontakt" muss man sagen dass man Wechselwirkungen mit sogenannten "Querschnitten" beschreibt, die aber nur in einer sehr klassischen (und nicht beliebig weit korrekten) Anschauung mit tatsächlichen "Teilchenradien" identifizierbar sind. Die Paarvernichtung verläuft ja über elektromagnetische Wechselwirkung, und die reicht bekanntlich unendlich weit! Daher ist "aufeinanderprallen" nicht wirklich richtig. Natürlich ist es aber so dass bei bei kleinem Abstand die Paarvernichtung viel effizienter passieren kann.
Übrigens sind im Standardmodell der Teilchenphysik Elektron und Positron Punktteilchen, hätten also garkeinen echten "Radius".

Viele Grüsse,
DK

Hallo Leute,
wenn ich das recht erinnere, ist die Annahme der "punktförmigen Teilchen" vermutlich nicht ausreichend, um die Elektron/Positron-Annihilation zu beschreiben?
Wenn ich das richtig verstehe, muss man sich das Vakuum sowieso als eine Art Quantenschaum vorstellen, in dem für sehr kurze Momente Materie/Antimaterie-Teilchenpaare "aus dem Nichts" aufauchen und wieder verschwinden.
Ich hab da mal was gehört oder gelesen, dass einzelne Elektronen quasi dieses Quantenvakuum in ihrer Umgebung polarisieren, d.h. man kann sie gar nicht als "echte einzelne Teilchen" beobachten?

Gruß,
Martin

Hi,
jede Theorie zur Beschreibung von Naturphänomenen ist ja erstmal nur eine Annäherung mit begrenztem Gültigkeitsbereich und Genauigkeit. Die Paarvernichtung kann man aber tatsächlich schon mit einfachen Mitteln recht genau beschreiben (aber eben nciht beliebig genau).
Die Teilchen-Antiteilchenpaare die im Vakuum beständig entstehen und vergehen sind ja genau der gleiche Effekt. In Aktion beobachten kann man diese zum Beispiel immer dann wenn ein Gecko eine Wand hochläuft
Viele grüsse,
DK

Hey!

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: DK279</i>
<br />..jede Theorie zur Beschreibung von Naturphänomenen ist ja erstmal nur eine Annäherung mit begrenztem Gültigkeitsbereich und Genauigkeit. Die Paarvernichtung kann man aber tatsächlich schon mit einfachen Mitteln recht genau beschreiben (aber eben nciht beliebig genau).<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Aber ich glaube sicher nicht mit der SGL von oben. Die SGL beschreibt ja nicht einmal Feinstruktur- bzw. Hyperfeinstruktur-Effekte. Erst durch Einführung von Korrekturterme kann das Problem behoben werden. Genauso werden die relativistischen Effekte erst mit der Dirac-Gleichung erklärt.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Die Teilchen-Antiteilchenpaare die im Vakuum beständig entstehen und vergehen sind ja genau der gleiche Effekt. In Aktion beobachten kann man diese zum Beispiel immer dann wenn ein Gecko eine Wand hochläuft.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Dass die Geckos Wände hochlaufen können liegt meines Erachtens daran, dass sich an ihren Füßen wenige Nanometer lange Hafthärchen befinden. Eine Große Rolle spielen dabei die Van-der-Waals-Kräfte.

Das wars mal von meiner Seite.
Viele Grüße
Kölbl

Hi,

was ich meinte ist dass man Phänomene oft schon ziemlich gut verstehen kann anhand von recht einfachen Mitteln. Das mit dem Wunsch nach detaillierterem Verständnis fast immer auch der Aufwand steigt ist klar. Bei der Paarvernichtung ist es halt so dass man schon mit der Idee dass vermittelt durch die elektromagnetische Wechselwirkung ein Übergang in photonische Endzustände stattfindet ein für viele Zwecke ausreichendes Bild entsteht.
Was man bei detaillierter Betrachtung z.B. sehen kann ist der Effekt der Spinerhaltung, Orthopositronium (Zerfall in 3 Photonen nötig) lebt ~1000 mal so lang wie Parapositronium. Aber auch ersteres hat nur eine Lebensdauer von 142 Nanosekunden, d.h. nichts im Vergleich zu den dynamischen Zeitskalen der Objekte im Universum die Positronen produzieren.

Der Gecko war eigentlich eher als Scherz gedacht, klar macht der das mit den Haaren und van der Waals Kräften. Diese jedoch kann man zumindest teilweise als einen Effekt der oben angesprochenen Vakuumpolarisation auffassen...

Viele Grüsse,
DK

Hallo,

Also worin unterscheiden denn sich jetzt Teilchen zu ihren Antiteilchen?

Folgendes habe ich gelesen (http://wissenschaft.marcus-haa…ilchen/antimaterie.html):
"Aber nicht nur geladene Teilchen wie Elektronen und Protonen haben Antiteilchen, auch ungeladene wie zum Beispiel Neutronen besitzen Gegenstücke, die sich dann nicht in der Ladung, sondern im Eigendrehimpuls bzw. Spin - eine quantenmechanische Eigenschaft - unterscheiden."

Wenn ich das richtig verstehe, unterscheiden sich geladene Teilchen/Antiteilchen NUR in ihrer Ladung, während sich die ungeladenen Teilchen NUR im Spin unterscheiden.

Das kann aber nicht stimmen!

Denn laut Wikipedia ist es so (http://en.wikipedia.org/wiki/Quark):
"For antiquarks, the electric charge (Q) and all flavor quantum numbers (B, Iz, C, S, T, and B') are of opposite sign. Mass and total angular momentum (J; equal to spin for point particles) do not change sign for the antiquarks."

Das heißt wohl, dass für alle Baryonen gilt:
Ihre Antiteilchen haben entgegengesetzte Ladung (wenn sie nicht neutral sind) und entgegengesetzte Flavour-Quantenzahlen. Die Aussage, dass sich Neutron und Antineutron im Spin unterscheiden, wäre somit falsch, sie unterscheiden sich u.a. im Isospin.
Für Leptonen gilt: Ihre Antiteilchen unterscheiden sich nur in ihrer elektrischen Ladung.

Stimmt das so?

Blacky

Hey Folks,

auch nerdgirls können rappen:

"Antimatter is sort of like matter’s evil twin
Because except for charge & handedness of spin
They’re the same for a particle & its anti-self
But you can’t store an antiparticle on any shelf
Cuz when it meets its normal twin, they both annihilate
Matter turns to energy & then it dissipates"
(Credit: Katherine McAlpine)

Also, Teilchen und Antiteilchen unterscheiden sich in Ladung und Händigkeit des Spins. Es gibt jedoch Teilchen die sind ihre eigenen Antiteilchen, Photonen z.B. Diese nennt man "Majorana-Teilchen". Die Unterteilung in Baryonen und Leptonen dagegen ist eine andere Baustelle.

Cheers,
DK

Ich habe mal in das Buch "Materie und Antimaterie" von Maurice Duquesne (1974) geschaut, das ich seit vielen Jahren in meinem Bücherregal habe. Da gibt es eine sehr schöne Beschreibung, die ich euch nicht vorenthalten möchte:

"Nach der Diracschen Theorie haben Teilchen und Antiteilchen positive kinetische Energie und identische Massen, unterscheiden sich aber durch ihre Ladung und ihr magnetisches Moment.
Diese Unterscheidung ist bei geladenden Teilchen leicht zu treffen. Bei Proton und Elektron wirken Ladung und Spin so zusammen, dass ein kleiner Magnet entsteht, dessen magenetisches Moment für das Teilchen kennzeichnend ist. Das jeweilige Antiteilchen hat jeweils eine Ladung mit umgekehrtem Vorzeichen und damit auch ein entgegengesetztes magnetisches Moment. Die Pole von Teilchen und Antiteilchen liegen invers zueinander. [...]
Für neutrale Teilchen ist dieses Problem aber nicht ohne Delikatesse, weil man sich natürlich fragen muss, weshalb ein ungeladenes Teilchen überhaupt ein magnetisches Moment haben kann und wie man Teilchen und Antiteilchen unterscheiden könnte, wenn das magnetische Moment tatsächlich nicht vorhanden wäre.
Ein elektrisch neutrales Teilchen muss indessen nicht "ladungslos" sein. Es genügt vielmehr, wenn sich seine positiven und negativen Ladungen ingesamt aufheben [...] Ist das der Fall, kann sich aber aus den Ladungsbewegungen trotz der summarischen "Neutralität" ein magnetisches Moment ergebe.
Auch neutrale Teilchen unterscheiden sich auf diese Weise von ihren Antiteilchen durch das magnetische Moment.[...]
Das magnetische Moment eines Teilchens ist parallel zu seinem Spin ausgerichtet, das Vorzeichen - beim Neutron etwa - gibt den Hinweis, dass das magnetische Moment in die Gegenrichtung des Spins zeigt."

Ein Antineutron hat z.B. den gleichen Spin wie ein Neutron:
http://de.wikipedia.org/wiki/Antineutron
Das gilt auch für Elektron/Positron, Neutrino/Antineutrino etc.

Teilchen und Antiteilchen unterscheiden sich also durch ihr magnetisches Moment bzw. durch ihre Händigkeit, was die Lage des Spins zur Bewegungsrichtung des Teilchens beschreibt (der Spin ist gleich).
In der Literatur findet man auch (siehe mein Beitrag vorher), dass sich die Quarks/Antiquarks durch die Baryonenzahl und alle Flavour-Quantenzahlen unterscheiden, was aber nur Baryonen betrifft, also nicht die Leptonen.

Uff, kompliziert,

Blacky