Teilchenphysik in der Schule

Theorie

Coulomb-Streuung im Feynman-Graphen

Teilchen mit einer von Null verschiedenen Ladung, wie z. B.das Elektron nehmen an der
elektromagnetischen Wechselwirkung teil.
Teilchen gleicher Ladung stoßen sich ab, Teilchen unterschiedlicher Ladung ziehen sich an.
Über Ladungen in der Teilchenphysik siehe hier.

In der Teilchenphysik beschreibt man allgemein die Wechselwirkungen zwischen Teilchen durch den Austausch von Austauschteilchen, die die "Kraft" von einem Teilchen zum anderen transportieren.
So ist das Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung das Photon.

Wie stellt man sich nun die Abstoßung zweier Elektronen voneinander im Bild der Teilchenphysik vor?
Die Elektronen tauschen mehrere Photonen aus, die Energie und damit auch Impuls tragen:
strahlt das Elektron (a) ein Photon ab, ändert sich seine Richtung von der Photonrichtung weg.
Dies kennen wir vom Stoß, der Impuls muß erhalten bleiben.
Das zweite Elektron (b) absorbiert das Photon und ändert seine Richtung in Photonrichtung, auch hier hat ein inelastischer Stoß stattgefunden.

Dies zeigt der folgende "zerhackte" Feynman-Graph der Coulomb-Wechselwirkung:

Hier haben wir nur die Übertragung eines Photons vom Elektron (a) zum Elektron (b) betrachtet, tatsächlich läuft dieser Vorgang in beiden Richtungen ab und es werden viele Photonen ausgetauscht, um die gesamte Coulomb-Wechselwirkung darzustellen. Dieser Prozeß kann nur im Rahmen der Heisenbergschen Unschärferelation stattfinden.

Faßt man das oben gesagte zusammen, stellt sich die Coulomb-Wechselwirkung im Feynman-Graphen wie folgt dar:

feyn-moeller-abstoss.gif (1866 Byte)

Das Feynman-Diagramm zeigt je zwei ein- und auslaufende Elektronen, die ein Photon austauschen, also elektromagnetisch wechselwirken. Das ausgetauschte Photon kann nicht beobachtet werden, es ist virtuell. Es kann daher auch nicht festgelegt werden, welches Elektron es absorbiert und welches es emittiert. Klassisch würde man von Coulomb-Streuung sprechen, in der Quantenelektrodynamik (QED) spricht man von Möller-Streuung.Den Punkt, an dem wie oben genau drei Teilchenlinien zusammenlaufen und eine Wechselwirkung stattfindet, nennt man Wechselwirkungspunkt oder Vertex. Bei Grundprozessen gibt es einen Vertex, bei zusammengesetzten Prozessen gibt es einen Primärvertex und einen oder mehrere Sekundärvertices.

Die folgende Animation stellt die Coulomb-Wechselwirkung dar.
Es handelt sich um eine Veranschaulichung des Prozeßes, weder die Zeit- noch die Raumkoordinate sind maßstabsgetreu.

Zwei einlaufende Elektronen tauschen ein virtuelles Photon aus und stoßen sich so ab.

Dieser Prozeß setzt sich aus den Grundprozessen "Abstrahlung eines Trägerteilchens" und "Einfang eines Trägerteilchens" zusammen. Dabei strahlt eines der Elektronen das Photon ab und wird so zurückgestoßen, durch den Einfang des Photons durch das zweite Elektron wird dieses mit dem gleichen Impulsübertrag weggestoßen.