Ladung (Physik)

Unter Ladung versteht man in der Physik die Eigenschaft eines Objektes, mit einem Feld wechselzuwirken (mit Ausnahme des Gravitationsfeldes, bei dem die Masse die Funktion der Ladung übernimmt). Für verschiedene Felder gibt es verschiedene, voneinander unabhängige Ladungen. Zum Beispiel tragen Elektronen eine elektrische Ladung, aber keine Farbladung, Gluonen tragen eine Farbladung, aber keine elektrische Ladung, und Quarks tragen sowohl eine elektrische, als auch eine Farbladung.

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Die Ladung bestimmt sowohl, welches Feld in welcher Stärke vom Teilchen erzeugt wird, als auch, wie das Teilchen vom Feld beeinflusst wird.

In der modernen Physik ist die Ladung die nach dem Noether-Theorem zur Eichsymmetrie der zugehörigen Feldtheorie (Eichtheorie) gehörige Erhaltungsgröße. Die Ladung eines Objekts ist jeweils ein lorentzinvarianter Skalar, das heißt er wird durch eine einzige Zahl gegeben, die in allen Bezugssystemen denselben Wert hat.

Ladungen treten stets als ganzzahlige Vielfache der Ladungen der Elementarteilchen auf, wobei für jedes Elementarteilchen jede Ladung einen genau festgelegten, nicht veränderbaren Wert hat. So hat beispielsweise jedes Elektron dieselbe elektrische Ladung von , jede elektrische Ladung (die ja aus Elektronen/Protonen besteht) ist also ein ganzzahliges Vielfaches dieser Naturkonstanten. Dieser Wert konnte erstmals präzise 1910 im Millikan-Versuch bestimmt werden. Das zu einem Teilchen gehörige Antiteilchen hat genau die entgegengesetzen Ladungen.

Elektrische Ladung

Siehe: Elektrische Ladung

Farbladung

Die Farbladung ist die zur starken Kraft (Farbkraft) gehörige Ladung. Es gibt drei verschiedene Ladungen, die sich zusammen zur Ladung Null addieren. In Analogie zur additiven Farbmischung nennt man diese drei Ladungen „rot“, „grün“ und „blau“, und Teilchen ohne Farbladung nennt man „weiß“. Die Farben der zugehörigen Antiteilchen nennt man „antirot“ ("Mischfarbe" aus grün und blau = cyan), „antigrün“ (blau und rot = magenta) und „antiblau“ (rot und grün = gelb). Ein weißes Teilchen kann sowohl durch die Kombination einer Farbe mit ihrer Antifarbe, als auch durch die Kombination der drei Farben oder der drei Antifarben gebildet werden. Alle diese Möglichkeiten kommen in der Natur vor.

Teilchen mit Farbladung können nie einzeln auftreten, sondern sind stets in insgesamt weißen (farbneutralen) Teilchen gebunden. Dieses so genannte Confinement liegt daran, dass – anders als beim elektromagnetischen Feld – die Feldquanten der starken Kraft (Gluonen) ihrerseits eine Farbladung tragen und sich gegenseitig anziehen. Dadurch wird die Energie, die man bräuchte, um Teilchen mit Farbladung voneinander zu trennen, so groß, dass sie zur Erzeugung von Teilchen-Antiteilchen-Paaren ausreicht, die insgesamt die Einzelteile wieder zu farbneutralen Objekten ergänzen. Dies ist auch der Grund, warum die starke Kernkraft so kurzreichweitig ist, obwohl die Gluonen, wie die Photonen, masselos sind.

Zu beachten ist, dass die Farben der Farbladung nichts mit der Farbe von Objekten zu tun hat. Diese ist eine Eigenschaft, die unser Sehsystem aus dem elektromagnetischen Spektrum der Objekte ableitet. Die Bezeichnungen „Farbe“ sowie die Verwendung der Farbnamen für die Ladung sind nur als reine Analogie zu verstehen.

Das Konzept der Farbladung wurde 1964 von Oscar Wallace Greenberg, Moo-Young Han (*1934) und Yoichiro Nambu (*1921) vorgeschlagen.

Schwache Ladung

Hauptartikel: Schwache Ladung

Auch zur schwachen Wechselwirkung gehört eine Ladung, die schwache Ladung. Wie die elektrische Ladung, kommt auch die schwache Ladung nur in ganzzahligen Vielfachen einer „schwachen Elementarladung“ g vor. In der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung hängen elektrische und schwache Ladung miteinander über den Weinbergwinkel zusammen:

Nur die linkshändigen elementaren Fermionen (Quarks und Leptonen) tragen eine schwache Ladung (Paritätsverletzung), und zwar jeweils vom Betrag g.