Einführung in die Kern
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Einführung in die Kern- und Teilchenphysik Wintersemester 2008/2009 Di und Do 12 c.t. – 14, Hs B Prof. Dr. Maarten Peter Heyn Prof. Dr. Heinz-Eberhard Mahnke Übung: Dr. Ralph Püttner Was Was ist ist Kernphysik Kernphysik (und (und Teilchenphysik)? Teilchenphysik)? Sie Siefügt fügtsich sichnicht nichtin indas dasklassische klassischeSchema Schema(Mechanik, (Mechanik,Akustik, Akustik,Optik, Optik,…). …).Deshalb: Deshalb: Andere AndereEinteilung: Einteilung: Nach Größe Struktur Nach Größe(Ausdehnung, (Ausdehnung,Energie, Energie,Zeit): Zeit): Strukturder derMaterie Materie Festkörperphysik, Atomund Molekülphysik, Kernphysik, Festkörperphysik, Atom- und Molekülphysik, Kernphysik, Elementarteilchenphysik Elementarteilchenphysik Viele VieleModellvorstellungen Modellvorstellungenaus ausanderen anderenGebieten Gebietentauchen tauchenauch auch hier hierauf auf(Temperatur, (Temperatur,Supraleitung, Supraleitung,Schalenmodell, Schalenmodell,etc.) etc.) Umgekehrt: Umgekehrt: Begriffe Begriffeund undMethoden Methodender derKernKern-und undElementarteilchenphysik Elementarteilchenphysik werden werdenin inanderen anderenGebieten Gebietenbenötigt. benötigt. Einordnung Einordnung--Zusammenhang Zusammenhang Technische TechnischeAnwendungen Anwendungen(u. (u.a.a.Energiegewinnung Energiegewinnung- -Spaltung, Spaltung,Fusion Fusion- Atombombe Atombombe––Kraftwerk, Kraftwerk,Navigation Navigation––Vermessung, Vermessung, Telekommunikation) Telekommunikation) Kosmologie Kosmologie(Beispiel: (Beispiel:Neutrinos Neutrinosvon vonSN87A) SN87A) Astrophysik Astrophysik(Beispiel: (Beispiel:Marsmission: Marsmission:Mössbauerspektroskopie) Mössbauerspektroskopie) Festkörperphysik Festkörperphysik(Methoden (Methodenaus ausder derKernKern-und undTeilchenphysik, Teilchenphysik, Neutronenstreuung, Synchrotronstrahlung, Neutronenstreuung, Synchrotronstrahlung,Ionenstrahlphysik) Ionenstrahlphysik) Geologie Geologie(Beispiel: (Beispiel:Altersbestimmung) Altersbestimmung) Archäologie, Archäologie,Kunst Kunst(Museen) (Museen) Biologie Biologie––Medizin Medizin Technische Technische Anwendungen Anwendungen Atombombe Atombombe -- Reaktor Reaktor Hiroshima 1945 Tschernobyl 1986 Energiegewinn aus Kernspaltung, Alternativen? Marsmission: Marsmission: Mössbauereffekt Mössbauereffekt auf auf dem dem Mars Mars Mars Exploration Rover MER Marsmission: Marsmission: Mössbauereffekt Mössbauereffekt auf auf dem dem Mars Mars Elektromagnetische Wechselwirkung (γ-Zerfall, Hyperfeinwechselwirkung) Neutronenphysik Neutronenphysik Münchner Münchner Reaktor Reaktor FRM FRM II und und IIII Kernspaltung, Transmutation zur Dotierung Si30→Si31→P31, Radioaktivität (auch am Helmholtz Zentrum Berlin in Wannsee vormals Hahn-Meitner-Institut) Ion track technology Cu nanowire Nanowire transistor Filter production 500 nm Ion beam modification Nano towers beam incidence 1µm Radiation hardness Ion beam analysis Non-destructive analysis by high-energy Proton Induced X-ray Emission Geologie Geologie –– Altersbestimmung Altersbestimmung –– Archäologie Archäologie Beschleuniger-Massenspektroskopie Beschleuniger-Massenspektroskopie C-14 Datierung am Eismenschen Ötzi Beschleuniger-Massenspektroskopie Beschleuniger-Massenspektroskopie Geologie Geologie –– Altersbestimmung Altersbestimmung –– Archäologie Archäologie Beschleuniger-Massenspektroskopie Beschleuniger-Massenspektroskopie Einzelnachweis Einzelnachweisvon vonFe-60 Fe-60(T1/2= (T1/2=1.5 1.5Ma) Ma)neben nebenNi-60 Ni-60und und Fe-54,56,57,58 Fe-54,56,57,58mit mitGas-filled Gas-filledAnalyzing AnalyzingMagnet MagnetSystem SystemGAMS GAMS aus ausTiefseesedimenten. Tiefseesedimenten. Fragen Fragenzur zurElemententstehung, Elemententstehung,zu zunahen nahenSN-Explosionen SN-Explosionenetc. etc. Altersbestimmung aus Be-10 Datierung MRT MRT und und PET PET (NMR (NMRnuclear nuclearmagnetic magneticresonance, resonance,PET PETPositronen-Emissions Positronen-Emissions-Tomographie) Tomographie) Hyperfeinwechselwirkung, Antiteilchenphysik MRT MRT und und PET-CT PET-CT Für Fürmedizinische medizinischeDiagnostik Diagnostik Tumortherapie Tumortherapie mit mit Hadronen Hadronen Proton PT am HZB protons for eye tumors since 98: > 1000 patients C-12: GSI heavy ion treatment Brachytherapie Brachytherapie mit mit radioaktiven radioaktiven Strahlern Strahlern Bestrahlungseffekte bei der Wundheilung 1 mm Abstand entspricht Dosisabfall um ~ 80 % 125I: 32P: 35,4 keV γ 1,7 MeV e- LITERATUR 1) B. Povh, Rith, "Teilchen und Kerne", Springer Lehrbuch 2) Ch. Berger, "Teilchenphysik", Springer Lehrbuch 3) W. Demtröder, "Experimentalphysik 4", Springer Lehrbuch 4) Th. Mayer-Kuckuk, "Kernphysik", Teubner Studienbücher 5) Frauenfelder, Henley, "Teilchen und Kerne", Oldenburg, 1996 6) Schatz, Weidinger, „Nuclear Condensed Matter Physics“, Wiley 1995 (deutsch Teubner) 7) B. R. Martin, G. Shaw, „Particle physics“, Wiley, 1997, 2nd edition 8) D. H. Perkins, “Introduction to high energy physics”, Cambridge, 2000, 4th edition 9) G. Kane, “Modern elementary particle physics”, Addison Wesley, 1993, 2nd edition 10) particle data book: http://pdg.lb.gov 11) http://cdsmedia.cern.ch/img/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf Skript und Übung auf http://users.physik.fu-berlin.de/%7Eag-heyn/ (FU, Fachbereich Physik, Forschung, exper. Gruppen, Heyn, homepage, teaching) Adressen: Prof. Dr. M. P. Heyn Prof. Dr. H.-E. Mahnke Dr. R.Püttner Übungen Termin: Gruppe 1 Mi 12 - 14 Klausur: Do 05.02.2009 Tel. 838-56160 email: [email protected] Tel. 8062-2715 (HZB) email: [email protected] Tel. 838-56159 email: [email protected] Vorlesungsplan 14.10. Einführung: Vorausschau Kernphysik – Anwendungen - Teilchenphysik 1. Grundlagen speziell zur Kernphysik – Begriffsbildung - Definitionen 16.10. Energien, Stabile und Instabile Kerne, Kernumwandlungen, Zerfallsgesetz 21.10. Wechselwirkung Strahlung - Materie 23.10. Detektoren, Beschleuniger - biologische Strahlenwirkung 2. Anwendungen 28.10. Beschleunigerbasierte Anwendungen in Wissenschaft, Kunst und Medizin 3. Elementarteilchen 30.10. 04.11. 06.11. 11.11. 13.11. 18.11. 20.11. 25.11. 27.11. 02.12. 04.12. 09.12. 11.12. 16.12. 18.12. 4. Kerneigenschaften 06.01. 08.01. 13.01. 15.01. 20.01. 22.01. Kernmassen Kernradien, Kernzustände Kernmomente, Gamma-Zerfall Hyperfeinwechselwirkung Kernkräfte, Kernmodelle Kernmodelle 5. Kernumwandlungen 27.01. Alpha-Zerfall 29.01. Beta-Zerfall 03.02. Kernreaktionen 05.02. Klausur 10.02. Kernspaltung-Kernfusion 12.02. Beschleunigerbesuch (Helmholtz-Zentrum Berlin, Campus Lise Meitner oder Campus Conrad-Wilhelm Röntgen) Kleinere KleinereDimensionen Dimensionen––höhere höhereEnergien Energien Zusammenhang Zusammenhangvon vonGröße Größeund undEnergie Energie(Mikroskopie) (Mikroskopie) E=hν=hc/l E=hν=hc/l c= c=νl νl 2 E=p E=p2/2m /2m p=ħk=h/l p=ħk=h/l de deBroglie BroglieWellenlänge Wellenlänge 2 Λ= Λ=ħc/mc ħc/mc2 Comptonwellenlänge Comptonwellenlänge Größerer Größererexperimenteller experimentellerAufwand Aufwandnötig! nötig! Beschleunigeranlagen!! Beschleunigeranlagen!!Sog. Sog.Maschinennobelpreise!! Maschinennobelpreise!! E.O. E.O.Lawrence Lawrence(Zyklotron) (Zyklotron)1939 1939 J.D. Cockcroft und E.T.S. Walton J.D. Cockcroft und E.T.S. Walton(Kernreaktionen (Kernreaktionenam amBeschleuniger) Beschleuniger)1951 1951 E. E.Segrè Segrèund undO. O.Chamberlain Chamberlain(Antiproton, (Antiproton,Berkeley-Beschleuniger) Berkeley-Beschleuniger)1959 1959 R. R.Hofstadter Hofstadter(Elektronenstreuung (Elektronenstreuungam amKern, Kern,Stanford-Beschl.) Stanford-Beschl.)1961 1961 L. Alvarez (Wasserstoff-Blasenkammer am Beschleuniger) 1968 L. Alvarez (Wasserstoff-Blasenkammer am Beschleuniger) 1968 B. B.Richter Richterund undS.C.C.Ting S.C.C.Ting(Fundamentale (FundamentaleTeilchen, Teilchen,Stanford Stanfordund undDESY) DESY)1976 1976 J.W. Cronin und V.L. Fitch (K-Mesonen-Zerfall) 1980 J.W. Cronin und V.L. Fitch (K-Mesonen-Zerfall) 1980 C. C.Rubbia Rubbiaund undS. S.van vander derMeer Meer(Schwache (SchwacheBosonen, Bosonen,CERN) CERN)1984 1984 Kleinere KleinereDimensionen Dimensionen––höhere höhereEnergien Energien Beispiel: Beispiel: Beschleunigeranlage BeschleunigeranlageLEP LEP(CERN (CERN bei beiGenf) Genf)bzw. bzw.LHC LHC(14 (14TeV TeV Protonen, Protonen,Large LargeHadron HadronCollider) Collider) Beispiel: FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) Projekt in Darmstadt GSI http://cdsmedia.cern.ch/img/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf http://cdsmedia.cern.ch/img/CERN-Brochure-2008-001-Eng.pdf Antimaterie Handlungsorte: CERN-Genf Rom „Inverse Compton Scattering“ eine table-top Synchrotronquelle für materials science, medical -, art (analytical) application, safety inspection, etc.