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1. Die Hierarchie der Materie: Atom, Kern, Nukleon und Feld

Zuerst die Größenordnungen #

Ein Atom ist ein quantenmechanisch gebundenes System aus Kern und Elektronen. Die Elektronenwolke bestimmt vor allem die Größe, der Kern fast die gesamte Masse. Typische atomare Längen liegen um 10⁻¹⁰ m, Kerngrößen um 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ m. Ein Femtometer ist 10⁻¹⁵ m. Diese Skalen sind keine Oberflächen kleiner harter Kugeln.

Die Valenzquarkstruktur des Protons ist uud, die des Neutrons udd. Sie beschreibt Quantenzahlen; Gluonen und Quark–Antiquark-Dynamik gehören ebenfalls zum Nukleon. Die Ruheenergie des Elektrons beträgt ungefähr 0,511 MeV, die des Protons 938,272 MeV. Das Massenverhältnis liegt bei etwa 1836.

Teilchen als Feldanregungen #

In der Quantenfeldtheorie sind Teilchen quantisierte Anregungen ihrer Felder. Für ein freies skalares Feld gilt in natürlichen Einheiten ℏ=c=1

L=12∂μϕ ∂μϕ−12m2ϕ2.\mathcal L=\tfrac12\partial_\mu\phi\,\partial^\mu\phi-\tfrac12m^2\phi^2.

Die Lagrangedichte beschreibt die Dynamik. Ein Vakuumerwartungswert ist ein Mittelwert eines Operators im Vakuumzustand. Ein verschwindender Feldmittelwert bedeutet weder fehlende Fluktuationen noch verschwindende Vakuumenergie.

Überlegung: Atome, Kerne und Nukleonen sind zusammengesetzt; Elektronen und Quarks werden im Standardmodell als elementar behandelt.

Quellen und weiterführende Literatur #

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