Lexikon: Buchstaben U, V, W, X, Y, Z

Lexikon - U, V, W, X, Y und Z

Unschärferelation (Heisenbergsche...)
Die Heisenbergsche Unschärferelation (HU) gibt eine grundsätzliche Schranke für die Genauigkeit an, mit der zwei physikalische Größen gleichzeitig gemessen werden können. Diese Messunschärfe hat nichts mit Ungenauigkeiten von Apparaturen zu tun, sondern ist naturgegeben.
Beispiele (h ist das Plancksche Wirkungsquantum) :

Energie-Zeit-Unschärfe: DE ^. Dt ³h
Steht für eine Energiemessung nur die Zeit Dt zur Verfügung, dann kann die Energie nicht genauer als
DEbestimmt werden.

Ort-Impuls-Unschärfe: Dx ^. Dp ³h
Man kann die Bahn (d.h. den Ort x) und die Geschwindigkeit v (bzw. den Impuls p = mv) eines Teilchens nicht gleichzeitig beliebig genau festlegen.
Die HU erlaubt z.B. das virtuelle Auftreten eines einzelnen Photons als direktes Produkt der e⁺ - e^- - Annihilation (Paarvernichtung). Da nach der Impulserhaltung mindestens 2 Photonen entstehen müssen, ist dieser Prozess zwar verboten, er darf aber innerhalb der Grenzen der Energie-Zeit-Unschärfe auftreten. Da die Energie (als Abweichung DE von E) des einzelnen Photons sehr hoch ist, muss seine Lebensdauer (als Abweichung Dt von t = 0) entsprechend gering sein. Es zerstrahlt sofort, z.B. in ein Quark-Antiquark-Paar.

Valenzquark
Die wichtigsten Eigenschaften eines Atoms werden durch die sog. Valenzelektronen bestimmt. In Anlehnung daran bezeichnet man die Quarks, die die wichtigsten Eigenschaften eines Hadrons bestimmen, als Valenzquarks. Das Proton besteht aus der Valenzquark-Kombination uud. Baryonen können aber auch zusätzliche Quark-Antiquark-Paare enthalten. Für die maßgeblichen Eigenschaften wie z.B. die elektrische Ladung sind aber die Valenzquarks verantwortlich. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass die Valenzquarks nur zu etwa 50% (dieser Wert ist noch nicht gesichert) zum Gesamtspin beitragen. Der Rest beruht auf dem Spin der Quark-Antiquark-Paare und dem von Gluonen, die auch im Proton vorkommen. Diese Eigenschaften des Protons sind allerdings Gegenstand aktueller Forschung und sind noch nicht ausreichend fundiert.

virtuelles Teilchen
Ein virtuelles Teilchen ist ein Teilchen, das nur einen extrem kurzen Augenblick lang während eines Wechselwirkungsprozesses existiert. Die Heisenbergsche Unschärferelation erlaubt die Verletzung des Energieerhaltungssatzes um DE für sehr kurze Zeit Dt, wobei der Zusammenhang DE Dt ³h erfüllt sein muss. Die Ausgangs- und Endprodukte eines Zerfalls müssen die Energieerhaltung zwar erfüllen, aber während des Prozesses selbst können virtuelle (nicht mess- oder beobachtbare!) Teilchen vorkommen.

Wahrscheinlichkeitsdichte
Die Wahrscheinlichkeitsdichte r ist eine Funktion, die als Betragsquadrat der Wellenfunktion Y definiert ist: r = |Y|². Mit ihr kann man die Wahrscheinlichkeit (|Y|²dV) berechnen, mit der sich ein Teilchen, dessen Zustand durch Y beschrieben wird, im Volumen dV befindet.

Wechselwirkung (elektromagnetisch)
Elektrisch geladene Teilchen wirken aufgrund ihrer elektrischen Ladungen und ihrer magnetischen Momente aufeinander ein. Klassisch wird dies durch die Maxwellgleichungen beschrieben. In der Quantenelektrodynamik (QED) wird die Wechselwirkung durch den Austausch eines Photons beschrieben. Das Austauschteilchen der elektromagnetischen WW, das Photon, wird oft auch als g-Quant oder Lichtquant bezeichnet. Die elektromagnetische Wechselwirkung ist z.B. für die Abstoßung und Anziehung elektrisch geladener Teilchen verantwortlich.

Wechselwirkung (schwach)
Das bekannteste Beispiel für einen schwachen Wechselwirkungsprozess ist der Beta-Minus-Zerfall des Neutrons. Die Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung sind die geladenen W^-- und W⁺- Bosonen und das neutrale Z⁰-Boson.

Wechselwirkung (starke)
Die starke (oder auch hadronische) Wechselwirkung ist die Wechselwirkung, die für den Zusammenhalt der Quarks verantwortlich ist. Auch die Kernkraft beruht letztendlich auf der starken Wechselwirkung. Teilchen, die stark wechselwirken, nennt man Hadronen. Die Austauschteilchen der starken Wechselwirkung sind die Gluonen (vom engl. glue (Klebstoff)). Die starke Wechselwirkung findet zwischen Teilchen statt, die Farbladung (kurz: Farbe) tragen.

Wellenfunktion (Amplitude oder Zustandsfunktion)
In der klassischen Physik ist eine Wellenfunktion eine Funktion, die die zeit- und ortsabhängige Amplitude einer Welle beschreibt. Mit Wellenfunktionen können Vorgänge wie Ausbreitung, Interferenz oder Streuung mathematisch beschrieben werden.
In der Quantenmechanik spricht man von der Wellen- oder Zustandsfunktion Yeines Teilchens. Y beschreibt den quantenmechanischen Zustand des Teilchens. Anschauliche Deutung von Y:
Mit der Funktion "Wahrscheinlichkeitsdichte" - dem "Betragsquadrat von Y" - lässt sich der Ausdruck |Y|²dV berechnen, die Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich das Teilchen im Volumen dV befindet.

Wellenzahl
Die Wellenzahl k ist die Anzahl der Wellenlängen l, die in die Strecke "2p Meter" passt. Anschaulicher als k ist der Faktor kx, wobei x im Fall der eindimensionalen Ausbreitung einer Welle der Abstand zum Erregerzentrum bzw. die Ortskoordinate ist. Es gilt: kx = 2p x/l. Dabei ist x/l die Anzahl der Wellenlängen, die in die Strecke x passt. Multipliziert mit 2p erhält man die Phasenlage der Welle am Ort x. Beispiel: l = 2 nm, x = 11 nm => kx = 2p^.11/2 = 2p^.5,5 = 5^.2p + p. In der Entfernung von 11 nm hat der Zeiger folglich die Phasenlage p, er steht entgegengesetzt zum Phasenzeiger des Erregers.

Wirkungsquerschnitts
Anschaulich ist ein Wirkungsquerschnitt die Fläche, die ein Targetteilchen einem anfliegenden Teilchen "entgegenstellt", so dass beim Treffen dieser Fläche eine Wechselwirkung (z.B. eine Ablenkung oder die Erzeugung eines neuen Teilchens) eintritt. Diese "sensitive" Fläche kann z.B. durch die Reichweite einer Wechselwirkung bestimmt sein. Man unterscheidet geometrischen, totalen und differentiellen Wirkungsquerschnitt. Eine gebräuchliche Einheit für den Wirkungsquerschnitt ist 1 barn = 1 b = 10^-24 cm².

Zerfallsbreite G und Lebensdauer t
Delta-Resonanz; diff. Wirkungsquerschnitt über Energie

In hochenergetischen Streuexperimenten können bei starken oder elektromagnetischen Wechselwirkungen instabile Hadronzustände sehr kurzer Lebensdauer erzeugen. Ein Beispiel ist die Erzeugung der Delta-Resonanz mit einer Masse von 1232 MeV/c² in Elektron-Protonstößen hoher Energie. Die Resonanz zerfällt sofort wieder in Proton und Pion mit der sehr kurzen Lebensdauer t von etwa 10^-23 s. Nach der Heisenbergschen Unschärferelation hat ihre Ruhenergie (bzw. die Ruhemasse) eine Unschärfe von h/t. Man erhält bei einer Massenmessung also das nebenstehende Bild einer Resonanzform mit einem Maximum bei der Sollmasse von 1232 MeV/c². Die volle Breite der Resonanz auf halber Höhe heißt Zerfallsbreite G. Sie ist ein Maß für die Energie - d.h. Massenunschärfe. Für die Delta-Resonanz ist G= 120 MeV und die mittlere Lebensdauer t= h/G= 0.55 ^. 10^-23 s   (h = 6,6262 ^. 10^-34 Js)
Je kürzer die Lebensdauer einer Resonanz, desto größer ist ihre Zerfallsbreite und umgekehrt.
Teilchen, die verschiedene Zerfallsmöglichkeiten besitzen, führen zu entsprechend mehr Resonanzen. Jede einzelne hat ihre Zerfallsbreite G_i. Die totale Zerfallsbreite eines Teilchens ist die Summe der einzelnen G_i:    G_tot = G₁ + G₂ +...
Die Lebensdauer eines Teilchens ist dementsprechend:   t= h/G_tot.

Zustand (angeregter)
Unter einem angeregten Zustand versteht man den Zustand eines gebundenen Systems (Atom, Atomkern, Positronium etc.), der durch Energiezufuhr angeregt wurde und nun eine höhere Energie besitzt als der energetisch tiefste Zustand, der Grundzustand des Systems.

Zustand (gebundener)
Unter einem gebundenen Zustand (oder auch gebundenes System) versteht man jeden Zusammenschluss von Teilchen für einen bestimmten Zeitraum (die Lebensdauer) zu einem "Ganzen". So stellen Atome, Atomkerne, das Positronium etc. gebundene Zustände aus ihren jeweiligen Bausteinen dar. Auch einzelne Teilchen wie Baryonen und Mesonen (z.B. das Proton oder Pion) werden als gebundene Zustände, die aus Quarks zusammengesetzt sind, betrachtet.

Zuschauerquark (engl. spectator-quark)
Unter einem Zuschauerquark versteht man einen Quark, der (als Teil eines Hadrons) bei einer Teilchenreaktion unverändert bleibt, also sowohl vor als auch nach der Reaktion vorhanden ist. Er "schaut nur zu", nimmt aber selbst nicht teil.