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Kern- und Teilchenphysik WS09/10 Christof Aegerter Vorlesung: Dienstag 10.15-11.45 Übungen: Peter Keim, Nathan Isert, und Torsten Pietsch Montag 12-14 Uhr, 14-16 Uhr M631, P712, P812 Kontakt: [email protected]; P1021 http://www.physik.uzh.ch/groups/aegerter/teaching/nuclearphysics.html Literatur: H. Frauenfelder, E.M. Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg 1999 C. Amsler: Kern- und Teilchenphysik, vdf 2007 T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner 1994 1 Geschichtlicher Abriss 1896 Radioaktivität Elektron 2 1899: Drei Arten von Strahlung 3 1902: Radioaktivität ist Kernumwandlung 4 1908: Helium Atome sind a-Teilchen die ihre positive Ladung verloren haben 5 1911: Entdeckung des Kerns 6 1919: Künstliche Kernumwandlung 7 1921: a-p Streuung – starke Wechselwirkung 8 1928: Erklärung der aStrahlung als Tunneleffekt 9 1930: Neutrino wird postuliert 10 1932: Entdeckung des Neutrons 11 1932: Entdeckung des Positrons 12 1932: künstliche Kernspaltung E = mc2 13 1933: Erklärung des b-Zerfalls 14 1935: Teilchenaustausch zur Kraftübertragung 15 1936: Entdeckung des Müons 16 1936: Kernumwandlungen Transurane 17 1938: Spaltung schwerer Kerne 18 1942: Kernreaktor 19 1945: Atombombe 20 1946: Entdeckung des Pions 21 1948: C-14 Datierung 22 1955: Entdeckung des Antiprotons 23 1956: Nachweis des Neutrinos 24 1957: Paritätsverletzung 25 1958: Mössbauereffekt 26 1960er: Kernstruktur/ Partonen 27 1963: CP-Verletzung 28 1970er: Standardmodell 29 1983: Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung 30 1992: Nur drei Neutrinos/Familien 31 2000: Neutrino-oszillationen 32 Was wir behandeln werden 33 Inhaltsverzeichnis: 0. Geschichtlicher Abriss 1. Streumethoden / Kerneigenschaften 1.1. Rutherfordstreuung 1.2. Born'sche Näherung 1.3. Formfaktoren der Kerne 2. Durchgang von Strahlung durch Materie / Detektoren 2.1. Bremsvermögen/Bethe-Bloch 2.2. Compton-Streuung 2.3. Paarbildung 2.4. Szintillationszähler 2.5. Cerenkov-Zähler 3. Bindungsenergien / Bethe-Weizsäcker Formel 3.1. Fermi-Gas Modell 3.2. Tröpfchenmodell und Massenformel 3.3. Schalenmodell 3.4. Isospin und starke Wechselwirkung 34 4. Kernzerfälle 4.1. Aktivitäten und Datierungsmethoden 4.2. a-Zerfall nach Gamov 4.3. Kernspaltung 4.4. Elektromagnetische Übergänge/ g-Zerfall 4.5. b-Zerfall nach Fermi 4.6. Paritätsverletzung 5. Neutrinos 5.1. Helizität 5.2. Neutrinomasse 5.3. Neutrino-Oszillationen 6. Grundzüge der Elementarteilchenphysik/Standardmodell 6.1. Leptonen und Quarks 6.2. Mesonen und Baryonen 6.3. Wechselwirkungen 6.4. Jenseits des Standardmodells 35 Wichtige Experimente 1. Die Entdeckung des Kerns (Rutherford) 2. Elektron-Proton Streuung – Struktur der Nukleonen (Hofstadter) 3. Nebelkammer / Endeckung des Positrons (Wilson/Anderson) 4. Entdeckung des Neutrons (Chadwick) 5. Spaltung eines leichten Kerns (Cockroft/Walton) 6. Spaltung eines schweren Kerns (Hahn/Strassmann) 7. g-Faktor des Elektrons (g-2) 8. Mösbauereffekt 9. Paritätsverletzung im b-Zerfall (Wu/Frauenfelder) 10. p-m Zerfallskette und Paritätsverletzung (Garwin/Ledermann) 11. Entdeckung des Neutrinos (Cowan/Reines) 12. Helizität der Neutrinos (Goldhaber) 13. Neutrino-oszillationen (SNO/Kamiokande) 14. CP-Verletzung bei Kaonen (Cronin/Fitch) 36 1.1. Rutherford Streuung 37 Drehimpulserhaltung, Kraftstoss wobei Merke: 38 Quantenmechanische Herleitung 39 Also ist der Wirkungsquerschnitt 40 In der Quantenmechanik ist die Wellenfunktion (also die Streulänge) gegeben durch die Operation der Wechselwirkung auf die anfängliche Wellenfunktion: Für Übergänge besser bekannt als Fermi's goldene Regel 41 1.2. Born'sche Näherung Nur geringe Streuung – Approximation der gestreuten durch die einfallende Welle 42 Vergleich zur Optik Streulänge "Wirkungsquerschnitt" 43 Rutherfordstreuung à la QM 44 Quanteneffekte bei Ununterscheidbarkeit der Teilchen Bromley Kuehner und Almqvist, Phys. Rev. 123, 878 (1961) 45 Elektronen-Streuung zur Kernuntersuchung braucht hochrelativistische Elektronen Ausserdem hat das Elektron einen Spin, der mit dem induzierten Feld des Kerns wechselwirkt. Impliziert Unterdrückung der Rückstreuung 46 1.3. Formfaktoren der Kerne Was passiert, wenn der Streuer eine innere Struktur hat? Matrixelement wird: 47 Das ist eine Faltung des Potentials mit der Dichte Oder in Bornscher Näherung Ist der Formfaktor 48 Bei kleinem q (bzw. Winkeln) GuinierGesetz in der Optik 49 Formfaktor einer Kugel 50 oder graphisch 51 Einige Beispiele 52 53 e-Streuung an C12 54 Ladungsdichten verschiedener Kerne 55 56 e-p Streuung (Hofstadter) 57 Formfaktoren der Nukleonen 58 Messung von Streuung hochenergetischer e- 59 Ergibt nahezu konstanten Formfaktor 60 Zusammenfassung Kapitel 1 Streuexperimente geben Aufschluss über innere Struktur In der Born'schen Näherung wird der Streuquerschnitt durch eine Fouriertransformierte gegeben. Bei zusätzlichen Eigenschaften (wie Spin) muss dies in die Betrachtung einfliessen Sind die streuenden Teilchen keine Punktteilchen, muss der Formfaktor mitgenommen werden Daraus lernt man, dass Nukleonen eine Substruktur haben die eine exponentielle Ladungsverteilung ergeben 61
