Aufbau der Materie

Wissenschaft Physik
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Hallo

ich habe ein paar Fragen zum Aufbau der Materie.

  1. Das Proton…
    besteht ja aus 2 up und einem down Quark mit Gluonen und evtl. Higgs Teilchen. Das Proton wird eigentlich immer als Kugel dargestellt die eine Feste Hülle hat. Das kann doch eigentlich nicht so ganz richtig sein.

Wie sieht das Pronton wirklich aus oder wie kann ich es mir vorstellen ?

  1. Licht
    Licht ist elektromagnetische Strahlung die im allgemeinen als Photon bezeichnet wird. Ein Photon ist eine Welle aber auch ein Teilchen, kommt auf die Betrachtungsweise an.
    Wenn ein Photon auf Materie trifft werden die Elektronen der Materie gestört und erzeugen neue Photonen die wir als Farbe dann sehen.
    Wie ist das bei Spiegeln oder Glas ?
    Werden bei einem Spiegel die Photonen nur reflektiert oder nur exakt emitiert ?
    Wie wechselwirkt Glas mit einem Photon ?

So … jetzt schonmal danke für eure Antworten…

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Hallo,

  1. Das Proton…
    besteht ja aus 2 up und einem down Quark mit Gluonen und evtl.
    Higgs Teilchen.

Achtung! Der Ausdruck „…besteht aus…“ ist zwar gebräuchlich, aber falsch.

Hier bist du voll in quantenmechanischen Bereichen, da führen Begriffe und Formulierungen aus der Alltagssprache schnell zu falschen Vorstellungen.

Protonen (wie andere Hadronen) sind nicht punktförmig, d.h. sie haben eine räumliche Ausdehnung. Das hat man mit Streu-Experimenten herausgefunden. Die Streueigenschaften der Hadronen lassen sich im Rahmen der Quantenchromodynamik erklären, wenn in den Rechenmodellen Elementarteilchen-Strukturen einfgeführt werden, die man eben „Quarks“ genannt hat. Der Begriff wurde von ihrem „Erfinder“ Murray Gell-Mann geprägt, der sie selbst als mathematische Fiktion bezeichnet hat.

Quarks existieren nie alleine, sondern immer nur in Kombinationen. Grundsätzlich können laut der QCD nur „farneutrale“ Kombinationen frei existieren.

Das Proton wird eigentlich immer als Kugel
dargestellt die eine Feste Hülle hat. Das kann doch eigentlich
nicht so ganz richtig sein.

Das ist nur ein Bild. Eine „Hülle“ hätte ja selbst eine stoffliche Grundlage, und subatomar gibt es keine stoffliche Grundlage mehr.

Wie sieht das Pronton wirklich aus oder wie kann ich es mir
vorstellen ?

Bildlich i.e.S. kannst du es dir nicht vorstellen. Man kann bstimmte Eigenschaften vorhersagen / berechnen. Viele dieser Eigenschaften sind aber auch nicht „anschaulich“. Es sind und bleiben Rechnegrößen in unseren MODELLEN von der Wirklichkeit.

  1. Licht
    Licht ist elektromagnetische Strahlung die im allgemeinen als
    Photon bezeichnet wird.

Nicht die elektromagnetische Strahlen werden als Photon bezeichnet. Ein Photon ist ein „Lichtteilchen“. In verschiedenen Experimenten verhält sich Licht wir ein Strahl aus Teilchen. D.h. mit einem MODELL, welches List als Teichchenstrahl auffasst, kann man bestimmte Eigenschaften berechnen. In anderen Experimenten hingegen verhält sich Licht nicht wie ein Strahl von Teilchen, sondern wie eine elektromagnetische Welle. Hier benutzt man also ein anderes MODELL, um die Eigenschaften zu berechnen.

Wir haben also zwei unterschiedliche MODELLE von Licht, die nicht beide gleichzeitig gültig sind, von denen aber je nach Experiment das eine oder das andere korrekte Vorhersagen macht.

Ein Photon ist eine Welle aber auch
ein Teilchen, kommt auf die Betrachtungsweise an.

Hier würde ich wieder vorsichtiger sagen: Die Eigenschaften von Licht können unter bestimmten Umständen mit dem MODELL eines Teilchenstrahl beschrieben werden, unter anderen Umständen mit dem MODELL elektromagnetischer Wellen.

Wenn ein Photon auf Materie trifft werden die Elektronen der
Materie gestört und erzeugen neue Photonen die wir als Farbe
dann sehen.
Wie ist das bei Spiegeln oder Glas ?

Spiegel: Ein absorbiertes Photon wird mit (fast) der gleichen Energie wieder emittiert.

Werden bei einem Spiegel die Photonen nur reflektiert oder nur
exakt emitiert ?

IMHO werden die Photonen absorbiert und wieder emittiert. Eine Reflexion würde den Impuls auf ein Elektron übertragen, wobei das Photon aber gestreut wird (der Ausfallswinkel ist „zufällig“). Sowas gibt es auch. Dabei werden auch Elektronen aus der Hülle „geschossen“ (-> ionisierende Strahlung, hochenergetische Photonen, Gamma-Strahlung).

Wie wechselwirkt Glas mit einem Photon ?

Glas: Das Photon wird nicht absorbiert (bzw. nur mit geringer W’keit).

VG
Jochen

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Das Proton wird eigentlich immer als Kugel
dargestellt die eine Feste Hülle hat. Das kann doch eigentlich
nicht so ganz richtig sein.
Wie sieht das Pronton wirklich aus oder wie kann ich es mir
vorstellen ?

Mit Sicherheit nicht wie eine Kugel mit einer festen Hülle :wink:
Das Proton ist eine wabernde, ständig in Bewegung befindliche Ansammlung von drei Quarks (2 up-Quarks und 1 down-Quark). Zwischen diesen sog. Valenzquarks schwirrt ständig eine Suppe aus Gluonen und Quarks/Antiquarks-Pärchen hin und her.

Und also solch wabernden See aus Gluonen und (Anti)quarks musst du dir das Proton auch vorstellen, denn die drei Valenzquarks machen nicht mal 5% der Masse des Protons aus. Der größte Teil stammt eben aus der Bewegungs- und Bindungsenergie der um sie herumschwirrenden Gluon-Quark-Suppe.

Hier ein Versuch das bildlich darzustellen:
http://www.weltderphysik.de/de/440.php?i=852

Die grün/roten Punkte sollen die Quarks/Antiquarks-Paare darstellen, die schwarzen Spiralen die Gluonen. Und die gelben Punkte sind die Valenzquarks (der dritte Quark ist leider abgeschnitten). Der blaue Kreis drum rum symbolisiert natürlich keine feste Grenze oder Hülle, sondern einfach nur die Zusammengehörigkeit der Teilchen zu dem Proton.

Und hier nochmal in größer aber ohne Bildbeschreibung:
http://zms.desy.de/images/content/e8/e76/imageobject…

Aber frag jetzt nicht wie ein Gluon oder ein Quark aussieht, das sind nämlich natürlich keine farbigen Kreise und schwarzen Spiralen :wink:

Wenn ein Photon auf Materie trifft werden die Elektronen der
Materie gestört und erzeugen neue Photonen die wir als Farbe
dann sehen.

Die Elektronen absorbieren das Photon und erreichen dadurch ein höheres Energielevel. Durch Abgabe eines Photons fallen sie dann wieder auf ihr ursprüngliches Energielevel herab.

Wie ist das bei Spiegeln oder Glas?
Werden bei einem Spiegel die Photonen nur reflektiert oder nur
exakt emitiert? Wie wechselwirkt Glas mit einem Photon?

Puh, so einfach lässt sich das nicht beantworten, da kommst du tief in die Quantentheorie rein. Das funktioniert nicht so, wie bei einer Billiardkugel die an einer Wand abprallt, falls du dir das so ähnlich vorstellst.

Das Photon interagiert nicht mit einem bestimmten Elektron, sondern im Prinzip mit allen Elektronen in dem Spiegel (denke an die Welleneigenschaften des Lichts). Ob das Licht reflektiert wird, absorbiert wird, oder das Material durchläuft, ist dann im Prinzip eine Wahrscheinlichkeitsrechnung aus der Quantentheorie, genauer gesagt aus der Quantenelektrodynamik.

Wenn du grob wissen willst, wie das mit Licht funktioniert, wieso Stoffe durchsichtig sind, andere spiegelnd, usw, dann empfehle ich dir ganz dringend das Buch „QED“ von Richard Feynman (dem Mitbegründer der Theorie und Physik-Nobelpreisträger). Keine Angst, das Buch ist kein langweiliges Physikbuch, sondern ein für interessierte Laien geschriebenes, kurzweiliges und spannend zu lesendes Buch.

QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie
Richard P. Feynman
ISBN-13: 978-3492215626 Buch anschauen

Falls du englisch kannst, hier ist ein kleiner Artikel mit Grafiken aus dem Buch:
http://www.jasonsummers.org/the-basics-of-quantum-el…

Hier ist z.B eine Grafik über die Spiegelung von Licht an einem Spiegel. Der Weg des Lichts ergibt sich aus einer Summe von vielen einzelnen Möglichkeiten. Aber ohne den Kontext und die Erklärung aus dem Buch wird dich das vermutlich nicht viel weiterbringen.
http://www.jasonsummers.org/wp-content/uploads/2010/…

Deshalb wie gesagt: Das lässt sich nicht mit ein paar Worten erklären. Besorg dir Feynmans Buch oben (das gibts in so gut wie jeder Bücherei und kostet auch so nicht viel, falls du es kaufen würdest). Danach bist du um einiges schlauer und gut unterhalten noch dazu :wink:

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Werden bei einem Spiegel die Photonen nur reflektiert oder nur
exakt emitiert ?

IMHO werden die Photonen absorbiert und wieder emittiert. Eine
Reflexion würde den Impuls auf ein Elektron übertragen, wobei
das Photon aber gestreut wird (der Ausfallswinkel ist
„zufällig“).

Auch bei der Reflektion von Licht an einem Spiegel wird Impuls auf die Elektronen übertragen. Das geht ja auch gar nicht anders, weil Impuls ist eine Erhaltungsgröße. Der ursprünglich in Richtung des Spiegels gehende Impuls des Photons kann ja nicht einfach verschwinden.

Der Ausfallwinkel muss deshalb auch nicht zufällig sein, sondern richtet sich ganz einfach nach den Gesetzen der Quantenelektrodynamik.

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Hallo!

Wie ist das bei Spiegeln oder Glas ?

Spiegel: Ein absorbiertes Photon wird mit (fast) der gleichen
Energie wieder emittiert.

Werden bei einem Spiegel die Photonen nur reflektiert oder nur
exakt emitiert ?

IMHO werden die Photonen absorbiert und wieder emittiert.

Ehrlich gesagt glaube ich das nicht. Grund: Man kann mit einem Laser und einem Spiegel Interferenzexperimente machen. Durch die Reflexion am Spiegel wird also die Phasenbeziehung der Photonen untereinander nicht aufgehoben. Würden die Photonen tatsächlich absorbiert, käme es zu einer elektronischen Anregung und anschließen einer Reemission, so wäre die Lebensdauer für jeden angeregten Zustand zufällig und die emittierten Photonen hätten keine feste Phasenbeziehung mehr.

Das gibt es zwar auch, aber es heißt nicht Reflexion sondern Fluoreszenz.

Eine
Reflexion würde den Impuls auf ein Elektron übertragen, wobei
das Photon aber gestreut wird (der Ausfallswinkel ist
„zufällig“).

Wie deconstruct schon sagte, wird auch bei der Reflexion der Impuls übertragen, und zwar nicht der ganze Impuls, sondern das Doppelte der Impulskomponente in Lotrichtung.

Die Reflexionsrichtung ergibt sich aus dem Pfadintegral über alle möglichen Lichtwege. Das Photon interferiert quasi mit sich selbst.

Eine zufällige Emissionsrichtung würde ich gerade NICHT für die Reflexion annehmen, sondern für die Streuung, die man tatsächlich als Absorption/Reemission beschreiben kann.

Sowas gibt es auch. Dabei werden auch Elektronen
aus der Hülle „geschossen“ (-> ionisierende Strahlung,
hochenergetische Photonen, Gamma-Strahlung).

Michael

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Hallo!

Würden die Photonen
tatsächlich absorbiert, käme es zu einer elektronischen
Anregung und anschließen einer Reemission, so wäre die
Lebensdauer für jeden angeregten Zustand zufällig und die
emittierten Photonen hätten keine feste Phasenbeziehung mehr.

Seh ich ein. Ich frage mich aber, ob die Exitation grundsätzlich eine zufällige Lebensdauer hat, oder obe es sich auch um eine stimulierte Emission handelt. Bei kohärentem Licht würden sie so reemittierten Photonen wieder in der selben Phase sein (das ist ja auch das Prinzip des Lasers). Wenn Das Spiegeln natürlich auch mit einzelnen Photonen funktioniert, dann hat sich meine Frage schon beantwortet. Ich weiß halt nicht, ob das Spiegeln eines Einzelphotons wieder eine quantenmechanische „Verwischung“ von Phasen und Winkeln zum Vorschein treten lassen würde (weil die absorbierten Photonen ohne stimulierte Emission eben wieder stochastisch emittieren).

Das gibt es zwar auch, aber es heißt nicht Reflexion sondern
Fluoreszenz.

Jup.

Die Reflexionsrichtung ergibt sich aus dem Pfadintegral über
alle möglichen Lichtwege. Das Photon interferiert quasi mit
sich selbst.

Ja, das habe ich auch schonmal gehört.

VG
Jochen