Elementarteilchen – das Prinzip „Einfach“

Egal ob leblose Materie, also Sterne, Galaxien und Staubwolken oder Lebensformen wie Pflanzen,  Pilze, Tiere und Bakterien – alles besteht im Grunde aus winzigen Atomen, die selbst aus Elektronen, Protonen und Neutronen zusammen gesetzt sind. Elektronen können nicht weiter zerlegt werden, nur Protonen und Neutronen lassen sich noch in weitere Bausteine aufteilen, dem sogenannten Quarks.

Elektronen und Quarks werden aus diesem Grund als Elementarteilchen bezeichnet. Lässt man Elektronen, Protonen und schwere Atomkerne in sogenannten Teilchenbeschleunigern (gigantische Maschinen) mit beinah Lichtgeschwindigkeit aufeinander prallen, entstehen im Kollisionsbereich Zustände, wie in der Startphase des bekannten Universums.

Kraftteilchen

Die Eigenschaften der Kraftteilchen sind für Nichtphysiker nur schwer beschreibbar. Sie regeln, wie sich Materieteilchen zueinander verhalten und sind für die Kraftübertragung zuständig. Ohne Kraftteilchen gäbe es im Universum keine größeren Gebilde wie Sterne oder Planeten, denn alle Materieteilchen würden wie Krümel nur lose im All herumschweben.

Bestandteile des Lebens

Jede Lebensform, aber auch das Universum und natürlich der Planet Erde bestehen lediglich aus 94 verschiedenen chemischen Elementen. Die wichtigsten sind neben Wasserstoff auch Helium, Kohlenstoff und Silizium, die sich zwar höchst unterschiedlich verhalten aber dennoch ähnlich aufgebaut sind.

Atome

Das Prinzip aller Atome ist gleich. Benötigt wird immer ein elektrisch positiv geladener Kern, der von einer negativ geladenen Hülle umgebeben wird. Der Kern enthält positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen, die Hülle setzt sich aus negativ geladenen Elektronen zusammen.

Schon im Chemieunterricht lernt jeder Mensch, dass sich im Kern genauso viele Protonen befinden müssen wie Elektronen in der Hülle. Nur so ist ein Atom insgesamt gesehen elektrisch neutral geladen. Die Anzahl der Protonen entscheidet darüber, um welches chemische Element es sich handelt.

Das einfachste natürlich vorkommende Atom ist Wasserstoff. Sein Kern enthält nur ein einziges Proton und ein einziges Elektron in der Hülle. Deswegen trägt es im Periodensystem die Ordnungszahl 1.

Danach folgt Helium, was im Kern aus zwei Protonen (=Ordnungszahl 2) sowie in der Hülle aus zwei Elektronen besteht. Nun rücken Lithium (3 Protonen), Berylium (4 Protonen), Bor (5 Protonen), Kohlenstoff (6 Protonen), Stickstoff (7 Protonen) und Sauerstoff (8 Protonen) nach, bis man schließlich bei Uran ankommt, dass 92 Protonen enthält.

Neptunium (93) und Plutonium (94) werden meist ausgeklammert da sie entweder nur aus Kleinstspuren bestehen oder in der Erdkruste vorkommen und damit schwer zugänglich sind.

die Bildung der Elemente

Rund 380.000 Jahre nach dem Urknall bildete sich der erste Wasserstoff. Das gesamte Universum bestand zu dieser Zeit aus rund 75 Prozent des Elements, dazu gesellten sich noch 25 Prozent Helium sowie kleinste Spuren von Lithium. Millionen Jahre waren folgend nötig, damit sich unter dem Einfluss der Gravitation erste Sterne bilden konnten.

In den entstandenen Sonnen der Galaxien wurde es durch den gewaltigen Druck so heiß, dass der Wasserstoff zu Helium „heran wuchs“. Denn 4 Wasserstoff-Atomkerne verschmolzen zu 1 Helium Kern, der aus je zwei Protonen und Neutronen bestand. Die nun freigesetzte Energie sorgte dafür, dass sich weitere Elemente des Periodensystems herausbilden konnten.

• die Verschmelzung zweier Heliumkerne erzeugen Berylium
• die Verschmelzung dreier Heliumkerne erzeugen Kohlenstoff
• die Verschmelzung zweier Kohlenstoffkerne erzeugen Neon, Natrium oder Magnesium
• usw.

Nun konnten immer schwerere Elemente (da immer mehr Protonen enthalten) im Inneren der Sterne entstehen, allerdings nur bis zum Eisen. Denn dieses Element war so schwer, dasse keine Energie mehr erzeugt werden konnte, stattdessen verbraucht wurde. In Folge dessen nahm der Druck der Sterne schlagartig ab, was mit einer gigantischen Druckwelle einher ging, der sogar die Sonne zerfetzen konnte.

Die dabei herausgeschleuderte Materie bildete den Grundstein für neue Planeten und Sterne. Schließlich kam es zur Bildung  von schweren Elementen wie Silber oder Palladium.

Gold oder Uran, die zu den schwersten Elementen gehören, benötigten für ihre Entstehung aber mehr als die Energie von üblichen Sternen-Explosionen, sie entstanden vermutlich erst durch die Kollision von zwei Neutronensternen.

Bildquelle: Titelbild: Carsten Jünger  / pixelio.de; Atom: Gerd Altmann  / pixelio.de