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Paarbildung und Paarvernichtung

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Paarbildung und Paarvernichtung
lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Paarbildung und Paarvernichtung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Paarbildung und Paarvernichtung kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib an, was man unter der Paarbildung und der Paarvernichtung versteht.

    Tipps

    $E=m\cdot c^2$

    Bei beiden Vorgängen (PV und PB) findet eine Umwandlung von Materie zu Energie beziehungsweise von Energie zu Materie statt.

    Lösung

    Bei der Paarbildung und der Paarvernichtung findet generell eine Umwandlung von Materie zu Energie beziehungsweise von Energie zu Materie statt. Grundlage dabei ist Einsteins bekannte Gleichung $E=m\cdot c^2$.

    Bei der Paarbildung wird Energie zu Materie umgewandelt. Hierbei erzeugen Photonen mit genügend hoher Energie ein Teilchen- / Antiteilchenpaar.

    Bei der Paarvernichtung (auch Annihilation genannt) wird Materie in Energie umgewandelt. Hier zerstrahlt ein Teilchen- / Antiteilchenpaar in zwei bis drei Photonen.

  • Gib an, welche Aussagen über die Paarbildung/Paarvernichtung wahr sind.

    Tipps

    Was stellst du dir unter einer Vernichtung vor?

    Lösung

    Bei der Paarbildung und der Paarvernichtung findet generell eine Umwandlung von Materie zu Energie beziehungsweise von Energie zu Materie statt.

    Die Frage ist nun, wann findet welche Umwandlung statt? Um sich dieser Frage zu nähern, überlege dir, was du unter dem Begriff der Vernichtung verstehst.

    Wird etwas vernichtet, so ist es danach zerstört und quasi nicht mehr vorhanden. Was könnte nun bei der Paarvernichtung wirklich vernichtet werden: Materie oder Energie?

    Du hast vielleicht schon vom Energieerhaltungssatz gehört, welcher besagt, dass sich die Gesamtenergie eines isolierten Systems nicht mit der Zeit ändert. Energie wird nie erzeugt oder vernichtet, sondern immer in andere Energieformen oder wie hier in Materie umgewandelt.

    Um gegen diesen wichtigen Grundsatz nicht zu verstoßen, betrachten wir die Vernichtung und Bildung immer aus Sicht der Materie. Dieses ist für uns auch besser vorstellbar, da etwas Greifbares zerstört oder gebildet wird.

    Somit gilt: Bei der Paarvernichtung wird Materie zu Energie umgewandelt. Hier zerstrahlt ein Teilchen- / Antiteilchenpaar in zwei bis drei Photonen.

    Bei der Paarbildung hingegen wird Energie zu Materie umgewandelt. Hierbei erzeugen Photonen mit genügend hoher Energie ein Teilchen- / Antiteilchenpaar.

    Achtung: Beide Prozesse sind immer eine Umwandlung! Da jedoch bei der Paarbildung das tatsächliche Teilchen verloren geht und in Energie umgewandelt wird, spricht man in diesem Fall von der Paarvernichtung.

  • Gib zu den verschiedenen Teilchen das passende physikalische Symbol an.

    Tipps

    Überlege dir, inwiefern dir die Anfangsbuchstaben der jeweiligen Teilchen helfen können.

    Einige Teilchen sind positiv, andere negativ und manche neutral geladen.

    Lösung

    Protonen wie auch Antiprotonen werden mit dem kleinen $p$ symbolisiert. Da erst die reinen Protonen entdeckt wurden und später erst die Antiprotonen, werden Protonen mit dem $p$ selbst und die Antiprotonen mit dem $\overline{p}$ symbolisiert.

    Gleiches gilt für die Neutronen $n$ und die Antineutronen $\overline{n}$.

    Das Elektron ist immer negativ geladen. Das dazugehörige Antielektron (auch Positron genannt) ist hingegen positiv geladen. Somit wird deutlich, dass sich beim Elektron $e^-$ und beim Positron $e^+$ das Plus- und Minuszeichen auf die Ladung des Teilchens bezieht.

  • Gib an, welche Eigenschaften von Elektronen und Positronen gleich sind und welche nicht.

    Tipps

    Überlege dir, welche Konsequenzen es hätte, wenn die jeweilige Eigenschaft des Elektrons beim Positron gleich beziehungsweise unterschiedlich wäre.

    Lösung

    Manche Eigenschaften sind zwischen Teilchen und Antiteilchen immer identisch. Diese Eigenschaften (auch nicht additive Quantenzahlen genannt) sind zum Beispiel die Masse, der Spin und das magnetische Moment.

    Andere Eigenschaften, welche unterschiedlich sind, nennt man additive Quantenzahlen. Hierzu zählt insbesondere die Ladung.

    Da das Positron das Antiteilchen des Elektrons ist, stimmt es in der Masse, dem Spin und dem Bahndrehimpuls mit dem Elektron überein. Nur die Ladung ist unterschiedlich: So ist das Elektron negativ und das Positron hingegen positiv geladen.

  • Gib an, welchem Physiker wir die berühmte Gleichung $E=m\cdot c^2$ verdanken.

    Tipps

    Die Äquivalenz von Masse und Energie oder kurz $E= m\cdot c^2$ ist ein 1905 entdecktes Naturgesetz.

    Lösung

    Die Äquivalenz von Masse und Energie oder kurz $E = m\cdot c^2$ ist ein 1905 von Albert Einstein im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie entdecktes Naturgesetz.

    Albert Einstein erhielt jedoch nicht für diese Formel den Nobelpreis für Physik. Diese Fehlvorstellung bildete sich jedoch in den letzten 100 Jahren heraus, da sich diese Formel so einfach merken ließ.

    Die anderen Namen, welche alle von renommierten Physikern stammen, sind eventuell neu für dich. Doch all diese Männer haben wie auch Einstein einen wesentlichen Beitrag zur Quantenmechanik (Die Quantenmechanik beschreibt die Materie, ihre Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten im atomaren Bereich) geleistet.

  • Gib an, in welchem Fall auch drei Photonen bei einer Paarvernichtung entstehen können.

    Tipps

    Das Positron ist das Antiteilchen des Elektrons.

    In was wandeln sich die Teilchen bei einer Paarvernichtung um?

    Lösung

    Bei der Paarvernichtung wird Materie zu Energie umgewandelt. Hier zerstrahlt ein Teilchen- / Antiteilchenpaar in Photonen.

    In der Regel entstehen zwei Photonen, doch es können auch in einigen Fällen drei Photonen entstehen. Das geht allerdings nur, wenn sich das Elektron und das Positron zu einem sogenannten Positronium zusammenschließen.

    Ein Positronium ist ein eher exotisches Atom bestehend aus einem Elektron und einem Positron.

    Dabei ersetzt das Positron jedoch nicht das Proton im Kern. Vielmehr gibt es gar keinen Kern. Das Positron und das Elektron kreisen um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Das ist vergleichbar mit einem Doppelstern (Pulsar): Hier kreisen zwei Sterne um einen gemeinsamen Schwerpunkt. Da beide (Anti-)Teilchen die gleiche Masse aufweisen, haben beiden denselben Abstand vom Schwerpunkt.

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