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2025-09-19T18:08:24Z

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Unter '''Austauschteilchen''' versteht man in der [[Quantenmechanik]] und [[Quantenfeldtheorie]] Teilchen, die eine [[Fundamentale Wechselwirkung|Wechselwirkung]] zwischen zwei [[System]]en vermitteln, indem sie von einem System abgegeben und vom anderen aufgenommen werden können. Die so verursachte Wechselwirkung wird auch als [[Austauschwechselwirkung]] bezeichnet, und ihre Austauschteilchen als '''Botenteilchen''', '''Trägerteilchen''', '''Wechselwirkungsteilchen''' oder '''Kraftteilchen'''.

Charakteristisch ist, dass die Austauschteilchen als solche für die Außenwelt unsichtbar bleiben. Sie befinden sich in unbestimmt bleibender Anzahl in [[virtuelles Teilchen|virtuellen Zuständen]], rufen aber dabei u. a. die bekannten Anziehungs- oder Abstoßungskräfte eines [[klassische Physik|klassischen]] [[Kraftfeld]]s hervor. Beleg für ihre Existenz sind die messbaren Eigenschaften der physikalischen Prozesse, die mithilfe dieses theoretischen Konzepts mit einer sonst nicht erreichten Genauigkeit erklärt werden. Dazu gehören auch Experimente, in denen die Austauschteilchen durch Energiezufuhr in ''reelle Zustände'' übergehen und dann einzeln nachgewiesen werden können.

Anmerkung: Im Artikel [[Austauschwechselwirkung]] wird eine andere Bedeutung desselben Wortes behandelt (s. auch unten [[#Entwicklung des Begriffs und der Benennung|Entwicklung des Begriffs und der Benennung]]).

== Beispiele ==
Drei der vier [[fundamentale Wechselwirkung|fundamentalen Wechselwirkungen]], auf denen alle physikalischen Prozesse beruhen, sind Austauschwechselwirkungen; ihre Austauschteilchen gehören zu den fundamentalen [[Elementarteilchen]] vom Typ [[Boson]]:
* das [[Photon]] für die [[elektromagnetische Wechselwirkung]],
* das [[W-Boson]] und das [[Z-Boson]] für die [[schwache Wechselwirkung]],
* das [[Gluon]] für die [[starke Wechselwirkung]].
Ob auch die [[Gravitation]] eine Austauschwechselwirkung ist, ist noch nicht bekannt.

Zuweilen sind mit Austauschteilchen nur diese Bosonen gemeint, die die elementaren Wechselwirkungen übertragen. Im weiteren Sinne bezeichnet man auch andere, z. T. nichtelementare Teilchen als Austauschteilchen, die im gleichen Sinne als Verursacher einer Bindungskraft betrachtet werden können, z. B.
* das [[Pion]] für die Bindung von [[Nukleon]]en im [[Atomkern]]
* das [[Elektron]] für kovalente [[chemische Bindung]] zweier [[Atom]]e in einem [[Molekül]].

== Eichbosonen ==
Die Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungen werden auch als [[Eichboson]]en bezeichnet. Die Bezeichnung stammt daher, dass diese Teilchen wegen ihres ganzzahligen [[Spin]]s zu den [[Boson]]en gehören und mit dem Prinzip der Eichinvarianz begründet werden: die fundamentalen Wechselwirkungen können mithilfe der Forderung nach [[Eichtransformation|lokaler Eichinvarianz]] der [[Lagrangedichte]] in Form einer [[Eichtheorie]] formuliert werden.

Im Rahmen der quantenfeldtheoretischen Behandlung ([[Quantengravitation|die nur für die Gravitation noch nicht entwickelt werden konnte]]) ergibt sich daraus, dass Felder durch [[Feldquant]]en hervorgerufen werden. Die Feldquanten der Kraftfelder sind die Austauschteilchen der jeweiligen Wechselwirkung.

Im Rahmen der klassischen [[Feldtheorie (Physik)|Feldtheorie]] ergibt sich daraus die Existenz des jeweiligen klassischen Kraftfelds mit seinen Feldgleichungen, z. B. das [[Elektromagnetisches Feld|elektromagnetische Feld]] mit den [[Maxwell-Gleichungen]] des [[Elektromagnetismus]] oder das [[Gravitationsfeld]] mit den [[Einsteinsche Feldgleichungen|einsteinschen Feldgleichungen]] der [[Allgemeine Relativitätstheorie|allgemeinen Relativitätstheorie]].

== Veranschaulichung ==
=== Modellvorstellung aus der klassischen Physik ===
Wenn man als die beiden Systeme zwei Handballspieler und als Austauschteilchen einen schweren Ball nimmt, den sie einander zuwerfen und fangen, dann verursacht das Abwerfen und Auffangen bei den Spielern entgegengesetzt gleiche Änderungen ihrer Impulse. Das ist – zumindest im zeitlichen Mittel – nicht zu unterscheiden von der Wirkung eines abstoßenden Kraftfelds zwischen ihnen. Diese aus der klassischen Physik genommene Veranschaulichung ist auch bei quantenmechanischen Systemen richtig – beispielsweise, wenn ein angeregtes Atom ein Photon aussendet, das dann von einem anderen Atom absorbiert wird. Dieser Vorgang ist die Grundlage des [[Strahlungsdruck]]s. Die Veranschaulichung wird aber der Rolle der Austauschteilchen beim quantenphysikalischen Zustandekommen einer Wechselwirkung nicht gerecht, z. B. kann sie keine Anziehungskraft erklären.

=== Unterschied zwischen klassischer Analogie und Austauschteilchen ===
Der Ball im klassischen Modell, aber auch das Photon, das wirklich erzeugt wird und von einem Atom zum anderen fliegt, besitzt während seines Fluges in jedem Moment bestimmte Werte für [[Energie]] <math>E</math> und [[Impuls]] <math>p</math>, die (mit seiner Masse <math>m</math>, beim Photon <math>m = 0</math>) die [[Energie-Impuls-Relation|Energie-Impuls-Beziehung]] <math>E = p^2/(2m)</math> (klassisch) bzw. <math>E^2 = p^2c^2 + m^2 c^4</math> ([[relativistisch]]) erfüllen. Das gilt ''nicht'' für Austauschteilchen, die die Wirkung eines Kraftfelds hervorrufen.

Betrachtet man etwa als Beispiel, dass zwei gleichnamig geladene Körper [[elastischer Stoß|elastisch gegeneinander stoßen]], wobei sie aufgrund der elektrostatischen Abstoßung gemäß dem [[Coulomb-Gesetz]] voneinander abprallen. Um dies durch eine Austauschwechselwirkung zu deuten, nimmt man ein Photon an, das von einem Körper zum andern fliegt. Die quantentheoretischen Gleichungen stellen sicher, dass dieses Photon keine andere Wechselwirkung verursacht, also auch unbeobachtbar bleibt. Da die Körper beim elastischen Stoß (in ihrem [[Schwerpunktsystem]] betrachtet) nur ihre Flugrichtung ändern, aber ihre Energie beibehalten, überträgt das Photon nur Impuls, aber keine Energie von einem zum anderen. Damit verletzt es die Energie-Impuls-Beziehung <math>E = p c</math> „normaler“ Photonen.

Teilchen in Zuständen, die unbeobachtbar sind und die sonst gültige Energie-Impuls-Beziehung verletzen, heißen [[virtuelle Teilchen]]. Demgegenüber werden die „normalen“ Teilchen bzw. die Zustände, in denen sie nach der klassischen Physik wie nach der [[Quantenphysik]] bei einer Messung oder Beobachtung angetroffen werden können, als ''reell'' bezeichnet.

=== Vereinfachte quantenmechanische Deutung ===
Für eine methodisch strenge Ausarbeitung des Konzepts der Austauschwechselwirkung muss man die [[Störungstheorie (Quantenfeldtheorie)|quantenmechanische Störungsrechnung]] nutzen, beispielsweise mit der Technik der [[Feynman-Diagramm]]e. Zu einigen Aspekten der Resultate gibt es vergleichsweise einfachere Deutungen, die aber nicht dem Anspruch einer beweiskräftigen Herleitung genügen. Dabei bedeutet der virtuelle Charakter der Austauschteilchen, dass ihre Beziehung zwischen Energie und Impuls nicht der Gleichung <math>E^2 = p^2 c^2 + m^2 c^4</math> folgen muss, aber die Abweichung wesentlich nicht länger als <math>t = \tfrac{\hbar}{E}</math> erhalten bleibt.
* Elektrostatische Coulomb-Kraft zwischen zwei Elektronen <math>F(r) = \tfrac{e^2}{4\pi \varepsilon_0 r^2}</math>: Ein Photon mit der Energie <math>E</math> und dem Impuls <math>p = \tfrac{E}{c}</math> kann sich in dieser Zeit also eine Strecke <math>r = ct = \tfrac{\hbar c}{E} = \tfrac{\hbar}{p}</math> von der Quelle entfernen. Wird es nach der Zeit <math>t</math> dort absorbiert, liefert es seinen Impuls ab und bewirkt damit eine Kraft <math>F = \tfrac{p}{t} = \tfrac{\hbar c}{r^2}</math>. Diese Abschätzung zeigt richtig die quadratische Abhängigkeit der Kraft vom Abstand. Um auch quantitativ das Coulomb-Gesetz zu erhalten, fehlt nur noch der dimensionslose Faktor <math>\tfrac{e^2}{4\pi \varepsilon_0 \hbar c} \approx 0{,}0035\dotso</math>, der als [[Feinstrukturkonstante]] bekannt ist und ganz allgemein die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung angibt.
* Kraft mit endlicher Reichweite ([[Yukawa-Potential]] <math>V(r) = \tfrac{g}{r} e^{-r/\lambda}</math>): Für ein Austauschteilchen mit Masse <math>m</math> muss zur Erzeugung aus dem Nichts die Energie-Impuls-Beziehung mindestens um <math>E=mc^2</math> verletzt werden. Die dafür maximal „erlaubte“ Zeit ist <math>t = \tfrac{\hbar}{mc^2}</math>, die Flugstrecke demnach höchstens <math>ct = \tfrac{\hbar}{mc}</math>. Diese Länge heißt auch [[Compton-Wellenlänge]] des Teilchens. Sie erscheint hier, als ob sie eine absolute Obergrenze jeder möglichen Wirkung des Teilchens wäre. Die korrekte quantenmechanische Rechnung ergibt hingegen den entsprechenden exponentiellen Abschwächungsfaktor mit <math>\lambda = ct = \tfrac{\hbar}{mc}</math> als Reichweiteparameter.

== Entwicklung des Begriffs und der Benennung ==
[[Werner Heisenberg]] und [[Wolfgang Pauli]] behandelten 1929 die ''Quantendynamik der Wellenfelder.'' Allein aus Erzeugung und Vernichtung von Photonen konnten sie den richtigen Ausdruck für die elektrostatische Coulomb-Energie zweier Elektronen herleiten.<ref>{{Literatur | Autor=Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli | Titel=Zur Quantendynamik der Wellenfelder I | Sammelwerk=Zeitschrift f. Physik | Band=56 | Datum=1929 | Seiten=1–61}}</ref> Damit war das klassische Coulomb-Feld durch ein quantenfeldtheoretisches Modell erklärt.<ref>{{Literatur | Autor=Silvan S. Schweber | Titel=QED and the men who made it | Verlag=Princeton Univ. Press | Ort=Princeton | Datum=1994}}</ref>

Etwa gleichzeitig wurde die kurzreichweitige Anziehungskraft, auf der die [[chemische Bindung]] beruht, von [[Linus Pauling]], [[John C. Slater]], [[Friedrich Hund]] und [[Robert Mulliken]] dadurch erklärt, dass ein Elektron durch den quantenmechanischen [[Tunneleffekt]] seinen Platz in einem Atom mit einem Platz im anderen Atom vertauschen kann. Heisenberg publizierte 1932 den Ansatz, analog zur Anziehung zwischen [[Wasserstoffatom|H-Atom]] und H<sup>+</sup>-Ion auch die Anziehung zwischen [[Proton]] und [[Neutron]] durch das Überwechseln eines Elektrons zu formulieren.<ref>{{Literatur | Autor=Werner Heisenberg | Titel=Bau der Atomkerne I | Sammelwerk=Zeitschrift f. Physik | Band=77 | Datum=1932 | Seiten=1–11}}</ref> Dementsprechend schlug er vor, den zugehörigen mathematischen Ausdruck als „Platzwechsel-Integral“ zu bezeichnen. Im Endeffekt würden dabei Proton und Neutron (bzw. H-Atom und H<sup>+</sup>-Ion) so erscheinen, als hätten sie nur ihre Plätze vertauscht. Wegen der mathematischen Ähnlichkeit zum ''Austauschintegral'' (bzw. ''Austauschwechselwirkung'') bei Mehrelektronensystemen, worin aber ''zwei'' Teilchen ihre Plätze miteinander tauschen, hat sich jedoch letztere Bezeichnung durchgesetzt.

1934 entwickelte [[Hideki Yukawa]] die Hypothese, dass die Proton-Neutron-Wechselwirkung auf einem [[Yukawa-Teilchen|neuartigen Feld]] beruht. Dabei sollte dessen [[Feldstärke]] die Anwesenheit entsprechend neuartiger Feldquanten anzeigen, so wie das elektromagnetische Feld die Anwesenheit von Photonen.<ref>{{Literatur | Autor=Hideki Yukawa | Titel=On the Interaction of Elementary Particles | Sammelwerk=Proc. Phys.-Math. Soc. of Japan | Band=17 | Datum=1935 | Seiten=48}}</ref> Yukawa nahm für das Feldquant eine Masse von etwa 200 [[Elektronenmasse]]n an und konnte zeigen, dass das Feld dann die erforderliche kurze Reichweite hat und dass die Feldquanten nur bei Energiezufuhr als reale Teilchen erscheinen. Nach der experimentellen Bestätigung dieser Hypothese verbreitete sich zu dem Begriff „Austauschwechselwirkung“ die – sprachlich nicht ganz glückliche – Umschreibung „Austausch eines Teilchens“.

Die Formulierung der Maxwellschen Elektrodynamik und der Einsteinschen Gravitationstheorie in Gestalt von Eichtheorien wurde 1919 von [[Hermann Weyl]] gefunden.<ref>{{Literatur | Autor=Hermann Weyl | Titel=Eine neue Erweiterung der Relativitätstheorie | Sammelwerk=Annalen der Physik | Band=364 | Nummer=10 | Datum=1919 | Seiten=101–133}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* {{Literatur | Autor=B. Povh, K. Rith, Chr. Scholz, F. Zetsche | Titel=Teilchen und Kerne: Eine Einführung in die physikalischen Konzepte | Auflage=8. | Verlag= Springer | Ort=Berlin | Datum=2009 | ISBN=978-3-540-68075-8 | Seiten=252 ff. | Online= [https://books.google.de/books?id=aSWr16XxDc8C&printsec=frontcover&dq=povh+zetsche&hl=de&sa=X&ei=7U4fUo-vKcigtAbi7IH4CA#v=onepage&q=Mesonenaustausch&f=false Mesonenaustausch]}}
* {{Literatur | Autor=H. Frauenfelder, E. M. Henley | Titel= Teilchen und Kerne | Auflage=4. | Verlag=Oldenbourg | Ort=München | Datum=1999 | ISBN=3-486-24417-5| Seiten=442 ff}}
* {{Literatur | Autor=[[Wolfgang Demtröder]] | Titel=Experimentalphysik 4 | Auflage=1. | Verlag=Springer | Ort=Berlin | Datum=1998 | ISBN=3-540-57097-7 | Seiten=127 ff., 202 ff}}
* {{Literatur | Autor=J. Bleck-Neuhaus | Titel=Elementare Teilchen | Auflage=2. | Verlag=Springer | Ort=Berlin | Datum=2013 | ISBN=978-3-642-32578-6 | Seiten=482 ff. | DOI=10.1007/978-3-642-32579-3}}

== Weblinks ==
{{Wiktionary}}

[[Kategorie:Teilchen]]

Austauschteilchen - Versionsgeschichte

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