Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I
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Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I Ulrich Wiedner, Inst. für Experimentalphysik I Organisatorisches Wo sind wir zu finden: Ulrich Wiedner Raum 2-131 / 2-125 Tel. 0234 32-23561 [email protected] [email protected] ; 0234 32-23561 Übungen: Thomas Held Torsten Schröder Raum 2-174 Tel. 0234 32-23539 [email protected] [email protected] ; 0234 32-23531 Überblick (mit einigen Vertiefungen) über das Feld der Kern- und Teilchenphysik und ihre Anwendungen. http://www.ep1.rub.de/ -> Veranstaltungen Vorlesungstermine Jeden Dienstag: jeden Freitag: 12:15 - 14:00 10:15 - 12:00 Keine Vorlesung am – 6.11.2015 (Akademische Jahresfeier) – 20.11.2015 (CERN-Fahrt) – 22.12.2015 Letzte Vorlesung: 5.2.2016 Übungen Übungen zu Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I 160202/160203 - WS 2015/16 Termine und Gruppen Jeweils Freitags Gruppe A: Gruppe B: Gruppe C: Gruppe D: 14.00-16.00 Uhr, 12.00-14.00 Uhr, 12.00-14.00 Uhr, 12.00-14.00 Uhr, NB 4/158 NB 5/158 NB 3/158 NB 2/158 (160203a) (160203b) (160203c) (160203d) Anmeldung in VSPL/CampusOffice bis zum 30.10.2015 Übungsleiter Thomas Held NB2/166 [email protected] Die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen ist Voraussetzung für den Schein. Literatur Übungsaufgaben Ausgabe der Übungszettel jeweils Freitags in der Vorlesung bzw. unter http:// www.ep1.rub.de/lehre/veranstaltungen/ws1516/kerne/ Abgabe am folgenden Freitag bis 10.00 Uhr im Kasten “Kernphysik” vor Raum NB2/131 – Ausgabe erstes Übungsblatt – Abgabe – Erster Übungstermin 30.10.2015 13.11.2015 13.11.2014 (Grundlagen) Scheinvergabe –mindestens 50% der Übungspunkte –2x Vorrechnen Hinweise zur Bearbeitung der Aufgaben –Die Lösungen sollen vollständig und nachvollziehbar sein: Nicht nur das Ergebnis, sondern den Rechenweg mit allen relevanten Zwischenschritten, Folgerungen und Annahmen angeben. –Die äußere Form geht in die Bewertung mit ein. • Claude Amsler: ! Kern- und Teilchenphysik / UTB • B.R. Martin: ! Nuclear and Particle Physics / Wiley • Povh, Rith, Scholz, Zetsche: ! Teilchen und Kerne / Vieweg • H. Frauenfelder, E. M. Henley: ! Teilchen und Kerne. Die Welt der subatomaren Physik / Oldenbourg • Williams: ! Nuclear and Particle Physics / Oxford • Musiol, Ranft, Reif, Seeliger ! Kern- und Elementarteilchenphysik / Wiley VCH • Burcham and Jobes: ! Nuclear and Particle Physics / Prentice Hall Einführung Eigenschaften stabiler Kerne Rutherford-Streuung & Wirkungsquerschnitt Kernradien & Formfaktoren Kernmodelle & Kernkräfte - Tröpfchen- & Fermigasmodell - Schalenmodell - Kernkräfte Kernreaktionen & Kernfusion Nukleare Astrophysik & Elemententstehung Instabile Kerne ... in der Bibliothek vorhanden Radioaktivität Strahlendosis Biologische Wirksamkeit Strahlenbelastung Anwendungen der Kernphysik Kernenergie & Kernfusion Kernspintomografie Medizinische Anwendungen Altersbestimmungen Nukleonen Aufbau Wechselwirkung Strukturfunktionen α-Zerfall β-Zerfall γ-Zerfall Kernspaltung Teilchenphysik Hadronen & Leptonen Wechselwirkungen - starke Wechselwirkung - Gluonen - die schwachen Vektorbosonen Werkzeuge der Kern- und Teilchenphysik Beschleuniger Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Detektoren - geladene Teilchen - γ-Teilchen Quarkmodell der Hadronen Teilchenzoo Schwere Quarks QuantenChromoDynamik - QCD In dieser Vorlesung werden wir etwa 120 Jahre an Ideen, Theorien und Experimenten bahandeln. Symmetrien Erhaltungsgrößen und Symmetrien Parität, Ladungskonjugation, Zeitumkehr, CPT Über 50 Physik - Nobelpreise Schwache Wechselwirkung Symmetrieverletzung Neutrinophysik Ausblick Breiter Überblick über die wichtigsten Entdeckungen und die Zusammenhänge und sich daruas entwickelnden Anwendungen. Übersicht über die Teilchenphysik Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten die meisten Physiker, dass die gesamte Physik erforscht ist und durch die Mechanik, Thermodynamik, und die Maxwell-Theorie des Elektromagnetismus vollständig beschrieben wird. Antworten in 1900 auf die Frage: Was ist Universum - was ist Materie ? ‘British Association for the Advancement of Science’ Universum = Sonnensystem und die Milchstrasse Da es nun nichts mehr Neues in der Physik zu entdecken gibt, Niemand wusste wie unsere Sonne ihre Energie produziert verbleibt uns nur die Aufgabe, alles noch präziser zu messen. (Lord Kelvin, 1900) Nichts war über Atome, ihre Struktur, und Atomkerne bekannt Man kannte zwei ‘Felder’: Elektromagnetismus und Gravitation Die “Wolken” am Horizont der Physik: 1) Atomistik der Materie? William Thomson (Lord Kelvin) Niemand ahnte etwas von den unglaublichen Entdeckungen und Entwicklungen der nächsten 100 Jahre. 2) Spektrum der Hohlraumstrahlung? 3) Michelson-Morley Experiment? Kinetische Gastheorie Maxwell Boltzmann 1895 1900 Elektromagnetismus Brownsche Bewegung Atom 1910 1930 n e Photon 1950 Antimaterie νe 1960 Higgs νµ 1970 1975 τ- 1980 d GUT SUSY Superstrings g Z 3 Teilchenfamilien 2010 ντ ν Masse , . , . , Blasenkammer e+e- Ring Vieldrahtkammer Strahlkühlung QCD Farbladung Prozessrechner Inflation Inhomogenität der Hintergrundstrahlung( COBE, WMAP) t 2000 . Dunkle Materie Kosmische Hintergrundstrahlung p+p- Ring Moderne Detektoren WWW Dunkle Energie GRID , . Zyklotron Synchrotron W Bosons W 1990 Galaxien; Ausdehnung des Universums Big Bang Nukleosynthese EW Vereinigung s c STANDARD MODEL b , . Wolken Kernfusion P, C, CP Verletzung Teilchenzoo u Yukawa π Austausch QED π Allgemeine Relativität Höhenstrahlung Fermi Theorie τp- Beschleuniger Geiger µ- 1940 Technologien Detektor Radioaktivität Quantenmechanik Welle-Teilchen Dualismus Spin/Fermion-Boson p+ + Starke WW Schwache WW Spezielle Relativität Kern 1920 Universum Felder e- 1905 Newton Elektromagnetismus Teilchen . . , . , ,. . , ., . . . . ? ?B CG?DC C ?C : F ?A CE MG? BQ C RF : G ADO F DF C G ?C : CCD F C G? :? ?BC?GG NIB FGHPC:C?G ICG F F AH ?A CE MG? F KDAA C :? IC APFH C F C ICG F F L?GH CN CHKDFH C I DF IG Luft Feuer Erde Wasser GH H ICG F C? FGIB ? ?GH G CHGH C: C ? IC H?DC? FH G Ziel der Physik: Allumfassende und einheitliche Beschreibung der Materie und ihrer Wechselwirkungen kleiner größer (1025 m) (10-18 m) Die fundamentalen Kräfte Entwicklung unseres Universums Woraus ist es entstanden? Bausteine? γ Elektromagnetische Kraft Schwache Kraft Starke Kraft Gravitation Kräfte? Relativistische Kinematik Kern/Teilchenphysik beeinflusst vielfältig unser Leben: Zur Erinnerung (1905): Maxwell - Gleichungen: c = konstant Michelson - Morley : c = konstant Einstein : es gibt keinen Äther • Energiegewinnung • Militärische Anwendungen • Medizinische Anwendungen Die Gesetze der Physik gelten in jedem Inertialsystem. • Altersbestimmungen Einsteins erstes Postulat Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die selbe in allen Inertialsystemen und ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle. Einsteins zweites Postulat ⇒ Einstein entwickelte die spezielle Relativitätstheorie Die Bewegung aufgrund der Arbeit soll entlang der x-Achse erfolgen. Die Arbeit um das Teilchen auf die Geschwindigkeit v zu bringen ist: Relativistischer Impuls eines Teilchens mit Restmasse m: ! mv ! p= 1− v 2 c 2 ! ! p = γmv 1 γ= 1− v 2 c 2 mrel = W= f i i f f dp dp dx = ∫ vdt = ∫ vdp dt i dt i i: v=0 f: v=v d( pv) = pdv + vdp ⇒ vdp = d( pv) − pdv ! ! p = mrel v m 1− v 2 c 2 W= mv 2 + mc 2 1 − v 2 c 2 − mc 2 1− v 2 c 2 Multipliziere den 2. Term mit: W= f ∫ pdv i i W = ∫ d( pv) − Wenn Arbeit an einem Objekt verrichtet wird, so steigen die Geschwindigkeit und die Energie des Objektes. Nahe der Lichtgeschwindigkeit kann die Geschwindigkeit nicht mehr ansteigen, jedoch die relativistische Masse des Objekts. Dieses legt nahe, dass Masse äquivalent zu Energie ist. 1 − v 2 c 2 / 1 − v 2 c 2 =1 mc 2 − mc 2 1−v 2 c 2 f ∫ d( pv) = pv |if = (γmv)v = i f mv 2 1− v 2 c 2 f ∫ i 0 − ∫ pdv = − v d (1− v 2 c 2 ) = −(v c 2 ) / (1− v 2 c 2 ) mv dv dv = mc 2 1− v 2 c 2 |v0 = mc 2 1− v 2 c 2 − mc 2 1− v 2 c 2 Einstein: Energie und Masse sind äquivalent und mc2 ist die Restenergie oder Ruhemasse. E = Ek +mc 2 E = γmc 2 = Weil die das Teilchen vorher in Ruhe war muss die geleistete Arbeit gleich der kinetischen Energie sein: Ek = f ∫ Fdx = ∫ mc 2 − mc 2 = γmc 2 − mc 2 =(γ −1)mc 2 1−v 2 c 2 (relativistische kinetische Energie) mc 2 1−v 2 c 2 (totale Energie) Falls keine kinetische Energie vorhanden ist, erhalten wir: E0 = mc 2 Der relativistische Impuls eines Teilchens ist: p = γmv = mv 1−v 2 c 2 E = γmc 2 = mc 2 1−v 2 c 2 Im ultrarelativistischen Fall erhält man: ! Ek = c p Im nichtrelativistischen Fall erhält man die klassische Beziehung: (cp)2 p2 p2c2 Ek = E0 1+ 2 −E0 ≈ = E0 2m0 2E0 quadrieren und addieren von v2 - v2: E2 = oder m 2 c 2 (v 2 − v 2 +c 2 ) m 2 c 4 (1−v 2 / c 2 ) = p2c2+ 2 2 1−v / c 1−v 2 / c 2 Wir benutzen häufig folgende kinematischen Variablen: γ 2 −1 v β= = γ c E 2 = p 2 c 2 +m 2 c 4 Für die kinetische Energie folgt damit: 1 E = 1−β 2 E0 Für die Geschwindigkeit folgt: v= Ek = (γ −1)E0 p pc 2 pc 2 = = = m E (cp)2 +E 20 c ⎛ E0 ⎞2 1+⎜ ⎟ ⎝ cp ⎠ und Für den relativistischen Impuls gilt: p = mv = m0γv = γ= ⎛ E ⎞2 Ek (Ek + 2E0 ) cp = 1− ⎜ 0 ⎟ = ⎝E⎠ E E k + E0 E0 E βγ = βγm0 c = 0 γ 2 −1 c c v = c kann nur für masselose Teilchen erreicht werden. cp = βγE0 Für diese gilt: ! E = pc Einheiten Größe Zwei wichtige Naturkonstanten: Lichtgeschwindigkeit c ≅ 3×108 m/s Plancksche Wirkungsquantum h = 6.63 ×10-34 J⋅s Energien werden oftmals in eV gemessen. Ekin+ 9 eV K&T-Physik 1 fm (1 Fermi) 10-15 Energie 1 GeV = 109 eV 1,602 × 10-10 J Masse = E / c2 1 GeV / c2 1,78 × 10-27 kg ħ = h/2 π -34 6,588 × 10-25 GeV s 1,055 × 10 J s c 8 -1 2,998 × 1023 fm s-1 2,998 × 10 m s ħ·c 0,1973 GeV fm Für natürliche Einheiten ħ = c = 1 gilt: E = mc2 Massen: eV/c2 Impuls: eV/c SI-Größe Länge Masse = 1 GeV Länge = 1 GeV-1 = 0.1973 fm Zeit = 1 GeV-1 = 6,59×10-25 s m 3,162 × 10-26 J m Spin: Vergleich: Atom und Kern α = 1/137 me = 0.511 MeV rAtom ~ 10-10 m ρAtom ~ 103 kg/m3 bestimmend für Schalenstruktur der Kerne, bzw. Masse und Lebensdauer von Hadronen Hyperfeinstruktur Kopplung von Hülle J und Kern I ΔE = 5.9 × 10-6 eV relativ zur Masse M = 939 × 106 eV (bei H-Atom) αs = 0.2 mN = 939 MeV rKern ~ (2-8)×10-15 m ρKern ~ 1017 kg/m3 Hadronen - Baryonenstruktur s = 1/2 = Proton m = 939 MeV τ > 1031 a s = 1/2 Planeten Neutronenstern s = 3/2 s = 3/2 = Δ τ = 5.6×10−24 s m = 1232 MeV
