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Lexikon der Astronomie: Ladung

Die Ladung (engl. charge) ist eine Teilcheneigenschaft. Bekannt ist die elektrische Ladung. Teilchen können elektrisch positiv oder negativ geladen sein. Teilchen können aber auch elektrisch neutral geladen sein, also keine elektrische Ladung tragen.
Atome bestehen zwar aus elektrischen Ladungen, sind jedoch nach außen hin elektrisch neutral: Die positive Ladung des Atomkerns (der aus Nukleonen besteht) wird exakt mit der negativen Ladung der Elektronen in den Atomschalen ausgeglichen. Es kann vorkommen, dass die Atome z.B. durch eine große Umgebungshitze oder harte Umgebungsstrahlung, Elektronen durch Stöße verloren haben. In diesem Fall spricht man von positiv geladenen Ionen; es gibt auch negative Ionen. Ein solches Milieu gibt es in astrophysikalischen Plasmen, z.B. in heißen Akkretionsflüssen und in Koronen.

Terminologie in der Astronomie

In der Astronomie hat sich zur Unterscheidung der Ionen eine spezielle Benennung eingebürgert: Hinter dem chemischen Symbol des betreffenden Elements wird eine römische Ziffer gestellt, die angibt, wie stark ionisiert das Element ist. Bei der Ziffer I ist die Ionisierung null, d.h. das betreffende Element ist elektrisch neutral. Bei der Ziffer II ist das Element einfach positiv geladen; bei der Ziffer III ist es zweifach positiv geladen usw. Beispiele: Eine HII-Region besteht aus einfach ionisiertem Wasserstoff; eine OVII-Linie ist eine Spektrallinie, die von 6fach ionisiertem Sauerstoff absorbiert/emittiert wird.

Terminologie in der Elektrochemie

In der Elektrochemie haben elektrische Ladungen eigene Namen bekommen. Die negativ geladenen Ionen heißen Anionen, weil sie sich an der Anode (der positiven Elektrode) abscheiden. Hingegen sind die Kathionen positiv geladen, weil sie von der negativen Elektrode angezogen werden.

Millikan-Versuch: Quantisierung der elektrischen Ladung

Im Jahr 1909 konnte der US-amerikanische Physiker Robert Andrews Millikan (1868 – 1953) in einem historischen, physikalischen Experiment zeigen, dass die elektrische Ladung nicht beliebige Zahlenwerte annehmen kann, sondern nur in Vielfachen der Elementarladung e auftritt.

Quantenelektrodynamik

Elektrische geladene Teilchen wechselwirken über elektromagnetische Kräfte. Im Quantenbild der Quantenelektrodynamik, der Quantenfeldtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung, tauschen sie daher Photonen aus. Die Photonen sind gerade die 'Botenteilchen' der elektromagnetischen Wechselwirkung. Solche Austauschteilchen nennt man im Rahmen der Eichtheorie Eichbosonen.

Ladung als verallgemeinerte Teilcheneigenschaft

Der Ladungsbegriff kann verallgemeinert werden: Teilchen mit einer bestimmten Ladung 'spüren sich' mit der zur Ladung assoziierten Kraft. Neben der elektrischen Ladung und der elektromagnetischen Kraft, gibt es in der Natur drei weitere fundamentale Kräfte: Die Gravitation, die schwache Wechselwirkung und die starke Wechselwirkung. Auch für diese Kräfte wurde ein Ladungsbegriff gefunden. Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen Teilchen, die die schwache Hyperladung tragen. Die starke Wechselwirkung wirkt zwischen solchen die Farbladung tragen. Leptonen wie Elektronen und Neutrinos tragen per definitionem keine Farbladung: Sie sind farbneutral und wechselwirken deshalb nicht stark miteinander. Baryonen hingegen, wie das Proton und das Neutron, bestehen aus Quarks. Quarks sind farbgeladen. Daher spüren Hadronen (Baryonen und Mesonen) untereinander starke Kräfte. Die Farbladung gab der Quantenfeldtheorie der starken Wechselwirkung ihren Namen: Quantenchromodynamik (grch. chromos: Farbe).
Die Gravitation als vierte Naturkraft wirkt zwischen Massen. Eine Masse kann in diesem Sinne als 'gravitative Ladung' aufgefasst werden. Eine Quantenfeldtheorie der Gravitation wurde allerdings noch nicht etabliert. Im Rahmen der Stringtheorien wird versucht eine Quantengravitation zu formulieren. Die Botenteilchen der Gravitation heißen Gravitonen, doch bisher wurden sie nicht nachgewiesen.

Antiteilchen & Ladungsinversion

Der so verallgemeinerte Ladungsbegriff ist wichtig, um zu verstehen, was Antiteilchen von Teilchen unterscheidet. Antiteilchen haben verglichen mit den Teilchen umgekehrte Ladungen, präzise gesagt invertierte Ladungsquantenzahlen. Die additiven Quantenzahlen unterscheiden sich in ihrem Vorzeichen. Das gilt fast für alle Ladungseigenschaften, nämlich elektrische Ladung, Farbladung und schwache Hyperladung. Eine Inversion der gravitativen Ladung, der Masse, ist nicht möglich.
Als Beispiel möge das neutral geladene Neutron dienen, das in Atomkernen vorkommt. Was unterscheidet Neutron von Antineutron? Das Neutron besteht aus drei Quarks, nämlich udd. Entsprechend muss das Antineutron aus einem Anti-u-Quark und zwei Anti-d-Quarks bestehen. Die Antiquarks haben entsprechend invertierte elektrische Ladungen, invertierte Farbladungen und invertierte Baryonenzahl. Insgesamt resultiert jedoch sowohl beim Neutron als auch beim Antineutron die gleiche elektrische neutrale Gesamtladung. In der Baryonenzahl unterscheiden sie sich allerdings: Das Neutron hat wie man vom Quarkgehalt ableitet +1/3+1/3+1/3 = +1, das Antineutron hat -1/3-1/3-1/3 = -1.

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  • Die Autoren
- Dr. Andreas Müller, München

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