Wenn man den Begriff „Quantenteilchen“ das erste Mal hört, könnte man aufgrund seiner Wortzusammensetzung davon ausgehen, dass es sich um normale Objekte handelt, welche einfach nur sehr klein sind. Quantenteilchen sind allerdings nicht einfach nur sehr kleine Objekte, sondern es handelt sich um Teilchen, welche ganz eigene Eigenschaften besitzen, die sich nicht mit denen von unseren Objekten aus dem Alltag vergleichen lassen. Quantenteilchen besitzen beispielsweise einen Spin. Dieser kann durch Quantenzahlen beschrieben werden, welche nur festgelegte Werte annehmen können.
Allgemein lassen sich Quantenteilchen in zwei Gruppen unterteilen. Zum einen in die Fermionen und zum anderen in die Bosonen.
Fermionen
Fermionen sind winzige Teilchen, aus denen unsere Materie aufgebaut ist. Sie besitzen eine bestimmte quantenphysikalische Eigenschaft, den sogenannten Spin. Bei Fermionen hat dieser immer einen halbzahligen Wert, zum Beispiel ½ oder 3/2. Der Spin ist dabei keine tatsächliche Drehbewegung, sondern eine grundlegende Eigenschaft von Quantenteilchen.
Die elementaren Fermionen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen: Quarks und Leptonen. Zu den Leptonen gehören beispielsweise die Elektronen. Quarks bilden dagegen unter anderem die Protonen und Neutronen im Atomkern. Gemeinsam bilden diese Teilchen die Grundlage für die Atome, aus denen unsere alltägliche Materie besteht.
Eine besonders wichtige Eigenschaft der Fermionen ist das sogenannte Pauli-Prinzip. Es besagt, dass zwei identische Fermionen niemals genau denselben Quantenzustand einnehmen können.
Man kann sich das ähnlich vorstellen wie in einem Theater: Jeder Sitzplatz kann nur von einer Person besetzt werden. Möchte sich eine weitere Person hinsetzen, muss sie einen anderen Platz wählen. Bei Fermionen ist es ähnlich. Ihr „Platz“ wird allerdings nicht durch einen bestimmten Ort beschrieben, sondern durch verschiedene quantenphysikalische Eigenschaften, die sogenannten Quantenzahlen. Zwei identische Fermionen müssen sich deshalb in mindestens einer dieser Eigenschaften unterscheiden.
Warum ist das wichtig? Elektronen bevorzugen in einem Atom Zustände mit möglichst niedriger Energie. Sind diese bereits besetzt, müssen weitere Elektronen auf andere Zustände ausweichen. Dadurch entsteht eine bestimmte Verteilung der Elektronen innerhalb eines Atoms. Diese Verteilung bestimmt wesentlich mit, wie sich ein Atom verhält, welche chemischen Bindungen es eingehen kann und wie es mit anderen Atomen reagiert.
Das Pauli-Prinzip ist damit eine wichtige Grundlage für den Aufbau der Atome und die unterschiedlichen Eigenschaften der chemischen Elemente. Ohne dieses Prinzip wäre die Materie, wie wir sie kennen, nicht möglich.
Zusammenfassung:
- Quant: Eine diskrete Portion einer physikalischen Größe, beispielsweise Energie.
- Quantenteilchen: Ein Teilchen, das den Gesetzen der Quantenphysik folgt, beispielsweise ein Elektron.
- Fermion: Eine bestimmte Art von Quantenteilchen, beispielsweise ein Elektron oder Quark.
