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Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band 1
Mechanik und Wärme
5. Auflage
ISBN 978-3-540-79294-9
Band 2
Elektrizität und Optik
5. Auflage
ISBN 978-3-540-68210-3
Band 3
Atome, Moleküle und Festkörper
3. Auflage
ISBN 3-540-21473-9
Band 4
Kern-, Teilchen- und Astrophysik
3. Auflage
ISBN 978-3-642-01597-7
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 4
Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Dritte, überarbeitete und erweiterte Auflage
Mit 570, meist zweifarbigen Abbildungen,
15 Farbtafeln, 68 Tabellen,
zahlreichen durchgerechneten Beispielen
und 104 Übungsaufgaben
mit ausführlichen Lösungen
123
Wolfgang Demtröder
Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
Erwin-Schrödinger-Strasse 46
67663 Kaiserslautern
[email protected]
ISSN 0937-7433
ISBN 978-3-642-01597-7
e-ISBN 978-3-642-01598-4
DOI 10.1007/978-3-642-01598-4
Springer Dordrecht Heidelberg London New York
ISBN 978-3-540-21451-9 2. Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
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Gedruckt auf säurefreiem Papier.
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Vorwort zur dritten Auflage
Die Astrophysik, welche den Abschluss des vierbändigen Lehrbuches über Experimentalphysik bildet, braucht fast alle Gebiete der Physik zur Erklärung der
beobachteten Phänomene. Sowohl die Mechanik, als auch Thermodynamik, Hydrodynamik, Elektrodynamik, Atom- und Molekülphysik, Plasmaphysik, Kernphysik
und Hochenergiephysik werden benötigt, um Sternmodelle und Vorstellungen über
den Kosmos zu entwickeln. Deshalb steht die Astronomie und Astrophysik am Ende dieser Lehrbuchreihe, nachdem der Leser aller 4 Bände mit den oben genannten
Gebieten vertraut ist.
Seit dem Erscheinen der 2. Auflage von Band 4, wurden sowohl in der Kernund Hochenergiephysik, als auch insbesondere in der Astrophysik viele neue experimentelle Techniken eingeführt, die zu neuen, aufregenden Ergebnissen geführt
haben. Beispiele für die Hochenergiephysik sind neue Detektoren für die Erzeugung
elementarer Teilchen bei hochenergetischen Zusammenstößen von Elektronen oder
Hadronen, welche gleichzeitig die Art der erzeugten Teilchen, sowie deren Energie,
Impuls und Streuwinkel messen können. Ein besonderes Highlight ist die Fertigstellung des weltweit größten Teilchenbeschleunigers LHC am CERN im Sommer
2009, sowie neue theoretische Ansätze zur Erweiterung des Standardmodells der
Teilchenphysik.
In der Astrophysik sind eine Reihe von erdgebundenen Großteleskopen gebaut
worden, welche die Techniken der adaptiven und aktiven Optik in verbesserter Form
benutzen und sogar mehrere Teleskope zu einem Sterninterferometer im optischen
Bereich vereinigen konnten. Dies hat bewirkt, dass neben der wesentlich größeren
Lichtstärke auch die Winkelauflösung erheblich verbessert werden konnte, sodass
eng benachbarte Sterne im Zentrum unserer Milchstraße, wo die Sterndichte sehr
groß ist, noch aufgelöst werden konnten. Viele neue die Erde umkreisenden Satelliten, wie z. B. das Hubble Space Telescope oder der Satellit KOBE zur Untersuchung
der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sowie zahlreiche Raumsonden haben unsere
Kenntnis über unser Planetensystem und vor allem über unser Universum und seinen
Zustand vor vielen Milliarden Jahren wesentlich erweitert und neue Informationen
über die zeitliche Entwicklung und die Dynamik unseres Universums geliefert.
Die Auswertung der Daten des HYPARCOS Satelliten, welcher die Entfernung vieler Sterne mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen hat, konnte
manche Diskrepanzen über das Alter von Kugelsternhaufen, die aus fehlerhaften
Entfernungsbestimmungen entstanden waren, beseitigen.
Diese neuen Erkenntnisse haben auch neue Fragen aufgeworfen, die bisher noch
nicht beantwortet werden konnten. Beispiele sind die wahrscheinliche Existenz von
dunkler Materie und dunkler Energie, über deren physikalische Erklärung noch viel
spekuliert wird.
VI
Vorwort zur dritten Auflage
In der vorliegenden dritten Auflage, werden einige dieser neuen Entwicklungen
vorgestellt, um dem Leser eine Vorstellung von den heute diskutierten Problemen zu
geben.
Die im Inhaltsverzeichnis mit * gekennzeichneten Abschnitte können für Leser,
die sich nicht so eingehend mit dem Stoff beschäftigen wollen, überschlagen werden.
Der Autor dankt allen Lesern, Studenten und Kollegen, die Korrekturen und Verbesserungen der Darstellung angeregt haben. Insbesondere danke ich Herrn Peter
Staub von der TU Wien, für viele detaillierte Vorschläge bei der Neuauflage.
Frau Steffi Hohensee von der Firma le-tex publishing services GmbH Leipzig, die
Druck und Layout überwacht hat, gebührt mein Dank und ebenso Herrn Dr. Thorsten
Schneider vom Springer-Verlag für seine ständige Unterstützung während der Arbeit
an diesem Lehrbuch.
Ich hoffe, dass diese Neuauflage das Interesse vieler Leser findet und die Begeisterung für das faszinierende Gebiet der Astronomie weckt. Der Autor ist dankbar
für jeden Hinweis auf Fehler oder mögliche Verbesserungen. Auch Fragen sind
willkommen. Jede diesbezügliche e-mail wird so schnell wie möglich beantwortet.
Kaiserslautern,
im Juni 2009
Wolfgang Demtröder
Vorwort zur zweiten Auflage
In den sieben Jahren seit dem Erscheinen der ersten Auflage haben sich sowohl auf dem Gebiet der Kern- und Teilchen-Physik, als auch vor allem in der
Astrophysik viele neue Erkenntnisse ergeben, die auf der Entwicklung neuer experimenteller Techniken, der Auswertung experimenteller Daten und auf verfeinerten
theoretischen Modellen beruhen. So wurden z. B. mit dem großen NeutrinoDetektor Superkamiokande in Japan die Umwandlung von Myon-Neutrinos in
Elektron-Neutrinos nachgewiesen. Das top-quark wurde entdeckt und schloss damit eine Lücke in der vorhergesagten Mitgliederzahl der Quarkfamilien. Die bei
der tief-inelastischen Streuung von hochenergetischen Elektronen und Positronen
entstehenden Teilchen (sowohl Hadronen als auch Leptonen) wurden inzwischen
sehr detailliert untersucht. Die Ergebnisse scheinen bisher alle in Einklang mit dem
Standardmodell der Teilchenphysik zu sein.
Die Verzahnung von Teilchenphysik und Astrophysik bzw. Kosmologie hat sich
als sehr fruchtbar erwiesen für die Entwicklung von genaueren Modellen über die
Entstehung des Universums. Die vom Weltraum-Teleskop Hubble aufgenommenen
Bilder haben uns ganz neue Einblicke in die Frühzeit unseres Universum beschert,
und die Anwendung der adaptiven und aktiven Optik, sowie die Entwicklung der
Stern-Interferometrie im optischen und nahen Infrarot-Bereich erlaubten die Messung von Position und Bewegung einzelner Sterne in der Nähe des galaktischen
Zentrums. Die Ergebnisse zeigen, dass im Zentrum unserer Galaxie ein riesiges
Schwarzes Loch vorhanden ist.
Die Auswertung der Parallaxen-Messungen des Satelliten HIPPARCOS konnte
die Entfernungsskala innerhalb unserer Milchstrasse korrigieren und damit andere
Methoden zur Entfernungsmessung neu kalibrieren. Dem interstellaren und intergalaktischen Medium wurde neue Aufmerksamkeit geschenkt und eine Reihe von
Beobachtungstechniken auf seine Untersuchung angewandt. Die Ergebnisse solcher
Untersuchungen zeigen die große Bedeutung der Gas- und Staub-Komponente dieses Mediums nicht nur für die Abschwächung und Verfärbung der von intra- und
extra-galaktischen Quellen emittierten Strahlung, sondern auch für die Bildung von
Galaxien und Sternen.
Natürlich konnten nicht alle neuen Entwicklungen ausführlich in dieser neuen
Auflage berücksichtigt werden, weil dies den Seitenumfang gesprengt hätte. Einige, dem Autor besonders interessant erscheinenden Ergebnisse werden jedoch hier
vorgestellt und zur weiteren Information wurde das Literaturverzeichnis um neu
erschienene Bücher oder Zeitschriftenartikel erweitert.
Viele Leser haben durch ihre Zuschriften dazu beigetragen, dass eine Reihe
von Fehlern der ersten Auflage korrigiert werden und einige Abschnitte deutlicher
dargestellt werden konnten.
VIII
Vorwort zur zweiten Auflage
Ihnen sei allen gedankt. Besonderer Dank gebührt den Kollegen Prof. BleckNeuhaus, Bremen, und Dr. Grieger, MPI für Plasmaphysik, Garching, die mir
ausführliche Korrekturlisten zugesandt haben. Herr Dr. T. Sauerland hat den Teil
über Kernphysik genau durchgesehen, mir viele Korrekturvorschläge gemacht und
neue Aufgaben mit Lösungen beigetragen. Für die Astrophysik hat Herr Kollege
Prof. Mauder, Uni Tübingen, mir eine ausführliche Liste von Fehlern und Vorschläge
für wichtige neue Gebiete der Astrophysik geschickt, die mitgeholfen haben, diesen
Teil des Buches wesentlich zu verbessern. Allen diesen Kollegen sage ich meinen
herzlichen Dank.
Die drucktechnische Erfassung, das Layout und die Wiedergabe der Abbildungen wurden von der Firma LE-TeX, Leipzig, in kompetenter Weise durchgeführt.
Besonders danke ich Herrn Matrisch, der die Herstellung dieser Auflage betreut hat.
Zum Schluss möchte ich meiner lieben Frau Harriet danken, dass sie mir durch
ihre Hilfe und Unterstützung die Zeit zum Schreiben dieser Neuauflage verschafft
hat.
Der Autor hofft, dass durch dieses Lehrbuch auch Studenten, die nicht Kern-,
Teilchen- oder Astrophysik als Prüfungsfächer gewählt haben, dazu motiviert werden, sich mit diesen faszinierenden Gebieten näher zu befassen. Er wünscht sich
kritische Leser, die auch weiterhin durch ihre Zuschriften mit Hinweisen auf Fehler
oder mit Verbesserungsvorschlägen zur Optimierung dieses Buches beitragen.
Kaiserslautern,
im Juli 2004
Wolfgang Demtröder
Vorwort zur ersten Auflage
Nachdem im dritten Band die Struktur von Atomen, Molekülen und Festkörpern
behandelt wurde, möchte dieser letzte Band des vierbändigen Lehrbuches der Experimentalphysik sowohl in die subatomare Welt der Kerne und Elementarteilchen
einführen als auch einen Einblick in die Entstehung der Struktur unseres Universums,
also in kosmische Dimensionen, geben.
Wie bereits in den ersten drei Bänden soll auch hier das Experiment und seine Möglichkeiten zur Entwicklung eines Modells der Wirklichkeit im Vordergrund
stehen. Deshalb werden die verschiedenen experimentellen Techniken der Kern-,
Teilchen- und Astrophysik etwas ausführlicher dargestellt.
Natürlich kann so ein umfangreiches Gebiet in einer Einführung nicht vollständig behandelt werden. Deshalb müssen selbst interessante Teilbereiche weggelassen
werden, die dann in der angegebenen Spezialliteratur genauer dargestellt sind.
In diesem Lehrbuch kommt es dem Autor darauf an, die enge Verknüpfung zwischen den auf den ersten Blick so verschieden erscheinenden Gebieten der Physik
aufzuzeigen. So hat z. B. die Kernphysik erst ein vertieftes Verständnis erfahren
durch die Ergebnisse der Elementarteilchenphysik, die auch die Grundlage des
Standardmodells der Astrophysik liefert.
Die entartete Materie in weißen Zwergen und Neutronensternen wird erst einer quantitativen Behandlung zugänglich durch die Erkenntnisse der Quantenphysik,
und die Physik der Sternatmosphären wäre ohne intensive experimentelle und theoretische Untersuchungen der Atom- und Molekülphysik nicht so detailliert verstanden
worden.
Der Leser sollte am Ende des Studiums dieses Lehrbuches den Eindruck gewinnen, daß trotz der großen Fortschritte in unserer Erkenntnis der Natur zahlreiche, oft
wesentliche offene Fragen bleiben, deren Lösung noch viele Physikergenerationen
beschäftigen wird. Physik wird wohl nie ein abgeschlossenes Gebiet werden und die
Physiker deshalb auch nicht auf die Rolle von Bewahrern des früher erforschten beschränkt bleiben, wenn dies auch manchmal so prognostiziert wird. Es gibt genügend
Beispiele, wo durch unerwartete Ergebnisse von Experimenten bestehende Theorien
erweitert oder neue Theorien entwickelt werden mußten. Dies wird wohl auch auf
absehbare Zeit so bleiben.
Nach der überwiegend positiven Aufnahme der ersten drei Bände wünscht sich
der Autor eine ähnliche konstruktive Mitarbeit seiner Leser durch Hinweise auf Fehler oder Verbesserungsmöglichkeiten der Darstellung oder auf neue Ergebnisse, die
nicht berücksichtigt wurden.
Ich würde mich freuen, wenn dieses hiermit abgeschlossene Lehrbuch für die
Kollegen eine Hilfe bei Vorlesungen sein kann sowie dazu beitragen könnte, die
Begeisterung und das Verständnis bei Studenten zu wecken und die Physik auch Stu-
X
Vorwort zur ersten Auflage
dierenden von Nachbarfächern nahezubringen. Wie in den vorhergehenden Bänden
findet man auch hier viele Beispiele zur Illustration des Stoffes und Aufgaben mit
durchgerechneten Lösungen, welche die aktive Mitarbeit des Lesers fördern sollen.
Viele Leute haben bei der Fertigstellung geholfen, denen allen mein Dank
gebührt. Ich danke allen Kollegen und Institutionen, die mir die Erlaubnis zur Reproduktion von Abbildungen gegeben haben. Herr Dr. T. Sauerland, Institut für
Kernphysik der Universität Bochum, hat mir mehrere Aufgaben mit Lösungen zur
Verfügung gestellt, die im Lösungsteil gekennzeichnet sind, wofür ich ihm Dank
schulde. Frau S. Heider, die den größten Teil des Manuskripts geschrieben hat, und
insbesondere Herrn G. Imsieke, der die Redaktion übernommen hat und viele wertvolle Anregungen und Verbesserungsvorschläge beigesteuert hat, bin ich zu großem
Dank verpflichtet. Herrn Th. Schmidt, welcher für den Computersatz und das Layout
gesorgt hat, den Illustratoren M. Barth und S. Blaurock sowie den Korrekturlesern
S. Scheel und J. Brunzendorf, der viele nützliche Hinweise für den Astrophysikteil
gegeben hat, sei herzlich gedankt. Frau A. Kübler und Dr. H.J. Kölsch vom SpringerVerlag haben mich während der gesamten Entstehungszeit tatkräftig unterstützt. Für
die stets gute Zusammenarbeit danke ich ihnen sehr. Ein besonderer Dank gilt meiner
lieben Frau, die mir während der vierjährigen Arbeit an diesen vier Bänden durch ihre Hilfe die Zeit und Ruhe zum Schreiben gegeben hat und durch ihre Ermunterung
dazu beigetragen hat, daß das gesamte Lehrbuch erfolgreich fertiggestellt werden
konnte.
Kaiserslautern,
im November 1997
Wolfgang Demtröder
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1
1.2
1.3
1.4
Was ist Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik? . . . . . . . . . . . . .
Historische Entwicklung der Kern- und Elementarteilchenphysik .
Bedeutung der Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik;
offene Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Überblick über das Konzept des Lehrbuches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
2
6
7
2. Aufbau der Atomkerne
2.1
2.2
2.3
Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ladung, Größe und Masse der Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Massen- und Ladungsverteilung im Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Massendichteverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 Ladungsverteilung im Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4
Aufbau der Kerne aus Nukleonen; Isotope und Isobare . . . . . . . . . . .
2.5
Kerndrehimpulse, magnetische und elektrische Momente . . . . . . . .
2.5.1 Magnetische Kernmomente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5.2 Elektrisches Quadrupolmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6
Bindungsenergie der Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.1 Experimentelle Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6.2 Nukleonenkonfiguration und Pauli-Prinzip . . . . . . . . . . . . . .
2.6.3 Tröpfchenmodell und Bethe-Weizsäcker-Formel . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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26
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3. Instabile Kerne, Radioaktivität
3.1
3.2
3.3
3.4
Stabilitätskriterien; Stabile und instabile Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Instabile Kerne und Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.1 Zerfallsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Natürliche Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.3 Zerfallsketten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alphazerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Betazerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Experimentelle Befunde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Neutrino-Hypothese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 Modell des Betazerfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 Experimentelle Methoden
zur Untersuchung des β-Zerfalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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XII
Inhaltsverzeichnis
3.4.5 Elektroneneinfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.6 Energiebilanzen und Zerfallstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5
Gammastrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.1 Beobachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.2 Multipol-Übergänge und Übergangswahrscheinlichkeiten
3.5.3 Konversionsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5.4 Kernisomere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4. Experimentelle Techniken und Geräte
in Kern- und Hochenergiephysik
4.1
Teilchenbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Geschwindigkeit, Impuls und Beschleunigung
bei relativistischen Energien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Physikalische Grundlagen der Beschleuniger . . . . . . . . . . . .
4.1.3 Elektrostatische Beschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Hochfrequenz-Beschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.5 Beschleunigung durch Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.6 Kreisbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
4.1.7 Stabilisierung der Teilchenbahnen in Beschleunigern . . . . .
4.1.8 Speicherringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.9 Die großen Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Wechselwirkung von Teilchen und Strahlung mit Materie . . . . . . . .
4.2.1 Geladene schwere Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Energieverlust von Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie . . . . . .
4.2.4 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie . . . . . . . . . . . .
4.3
Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geigerzähler . .
4.3.2 Szintillationszähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Halbleiterzähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Spurendetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Čerenkov-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.6 Detektoren in der Hochenergiephysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4
Streuexperimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.1 Grundlagen der relativistischen Kinematik . . . . . . . . . . . . . .
4.4.2 Elastische Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.3 Was lernt man aus Streuexperimenten? . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Kernspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.1 Gamma-Spektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5.2 Beta-Spektrometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5. Kernkräfte und Kernmodelle
5.1
Das Deuteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Inhaltsverzeichnis
5.2
Nukleon-Nukleon-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2 Spinabhängigkeit der Kernkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.3 Ladungsunabhängigkeit der Kernkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
5.3
Isospin-Formalismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4
Meson-Austauschmodell der Kernkräfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5
Kernmodelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1 Nukleonen als Fermigas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2 Schalenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6
Rotation und Schwingung von Kernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1 Deformierte Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2 Kernrotationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3 Kernschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.7
Experimenteller Nachweis angeregter Rotationsund Schwingungszustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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150
151
153
154
6. Kernreaktionen
6.1
Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1 Die inelastische Streuung mit Kernanregung . . . . . . . . . . . .
6.1.2 Die reaktive Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.3 Die stoßinduzierte Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.4 Energieschwelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.5 Reaktionsquerschnitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2
Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.1 Erhaltung der Nukleonenzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.2 Erhaltung der elektrischen Ladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.3 Drehimpuls-Erhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.2.4 Erhaltung der Parität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3
Spezielle stoßinduzierte Kernreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.1 Die (α, p)-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.3.2 Die (α, n)-Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4
Stoßinduzierte Radioaktivität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5
Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.1 Spontane Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.2 Stoßinduzierte Spaltung leichter Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.3 Induzierte Spaltung schwerer Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.5.4 Energiebilanz bei der Kernspaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.6
Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
6.7
Die Erzeugung von Transuranen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
155
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164
165
166
168
169
170
174
175
7. Physik der Elementarteilchen
7.1
7.2
Die Entdeckung der Myonen und Pionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Der Zoo der Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
XIII
XIV
Inhaltsverzeichnis
7.2.1 Lebensdauer des Pions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.2 Spin des Pions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.3 Parität des π-Mesons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.4 Entdeckung weiterer Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.5 Klassifikation der Teilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.2.6 Quantenzahlen und Erhaltungssätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.3
Leptonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4
Das Quarkmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.1 Der achtfache Weg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.2 Quarkmodell der Mesonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.3 Charm-Quark und Charmonium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.4 Quarkaufbau der Baryonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.5 Farbladungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.4.6 Experimentelle Hinweise auf die Existenz von Quarks . . .
7.4.7 Quarkfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
7.4.8 Valenzquarks und Seequarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5
Quantenchromodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.1 Gluonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.5.2 Quarkmodell der Hadronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6
Starke und schwache Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.1 W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen
der schwachen Wechselwirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.2 Reelle W- und Z-Bosonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.3 Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung . . .
7.6.4 Die CPT-Symmetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.6.5 Erhaltungssätze und Symmetrien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7.7
Das Standardmodell der Teilchenphysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
7.8
Neue, bisher experimentell nicht bestätigte Theorien . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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211
212
213
214
215
8. Anwendungen der Kern- und Hochenergiephysik
8.1
8.2
8.3
Radionuklid-Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.1 Strahlendosis, Messgrößen und Messverfahren . . . . . . . . . .
8.1.2 Technische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.3 Anwendungen in der Biologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.4 Anwendungen von Radionukliden in der Medizin . . . . . . . .
8.1.5 Nachweis geringer Atomkonzentrationen
durch Radioaktivierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.1.6 Altersbestimmung mit radiometrischer Datierung . . . . . . . .
8.1.7 Hydrologische Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Anwendungen von Beschleunigern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.1 Kettenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.2 Aufbau eines Kernreaktors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.3 Steuerung und Betrieb eines Kernreaktors . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.4 Reaktortypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
217
217
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223
226
226
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227
230
231
233
Inhaltsverzeichnis
8.3.5 Sicherheit von Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.6 Radioaktiver Abfall und Entsorgungskonzepte . . . . . . . . . . .
8.3.7 Neue Konzepte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.3.8 Vor- und Nachteile der Kernspaltungsenergie . . . . . . . . . . . .
8.4
Kontrollierte Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.1 Allgemeine Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.2 Magnetischer Einschluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.3 Plasmaheizung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8.4.4 Laserinduzierte Kernfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
237
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241
242
243
246
246
248
249
9. Grundlagen der experimentellen Astronomie und Astrophysik
9.1
9.2
9.3
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messdaten von Himmelskörpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Astronomische Koordinatensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.1 Das Horizontsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.2 Die Äquatorsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.3 Das Ekliptikalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.4 Das galaktische Koordinatensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.5 Zeitliche Veränderungen der Koordinaten . . . . . . . . . . . . . . .
9.3.6 Zeitmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.4
Beobachtung von Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5
Teleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.1 Lichtstärke von Teleskopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.2 Vergrößerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.3 Teleskopanordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.4 Nachführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.5 Radioteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.6 Stern-Interferometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.7 Röntgenteleskope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.5.8 Gravitationswellen-Detektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.6
Parallaxe, Aberration und Refraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7
Entfernungsmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7.1 Geometrische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.7.2 Andere Verfahren der Entfernungsmessung . . . . . . . . . . . . .
9.8
Scheinbare und absolute Helligkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9.9
Messung der spektralen Energieverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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270
272
272
276
276
278
278
280
10. Unser Sonnensystem
10.1
Allgemeine Beobachtungen und Gesetze der Planetenbewegungen
10.1.1 Planetenbahnen; Erstes Kepler’sches Gesetz . . . . . . . . . . . .
10.1.2 Zweites und drittes Kepler’sches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
10.1.3 Die Bahnelemente der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.1.4 Die Umlaufzeiten der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
283
283
283
286
288
XV
XVI
Inhaltsverzeichnis
10.1.5 Größe, Masse und mittlere Dichte der Planeten . . . . . . . . . .
10.1.6 Energiehaushalt der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2 Die inneren Planeten und ihre Monde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.1 Merkur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.2 Venus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.3 Die Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.4 Der Erdmond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.2.5 Mars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3 Die äußeren Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.1 Jupiter und seine Monde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.2 Saturn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.3.3 Die äußersten Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4 Kleine Körper im Sonnensystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.1 Zwergplaneten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.2 Die Planetoiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.3 Kometen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.4.4 Meteore und Meteorite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5 Die Sonne als stationärer Stern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.1 Masse, Größe, Dichte und Leuchtkraft der Sonne . . . . . . . .
10.5.2 Mittelwerte für Temperatur und Druck
im Inneren der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.3 Radialer Verlauf von Druck, Dichte und Temperatur . . . . .
10.5.4 Energieerzeugung im Inneren der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.5 Das Sonnen-Neutrino-Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.6 Der Energietransport in der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.7 Die Photosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.5.8 Chromosphäre und Korona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6 Die aktive Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6.1 Sonnenflecken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6.2 Das Magnetfeld der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6.3 Fackeln, Flares und Protuberanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10.6.4 Die pulsierende Sonne, Helioseismologie . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
290
291
293
293
294
295
298
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309
311
314
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318
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327
328
332
334
334
337
338
339
342
343
11. Geburt, Leben und Tod von Sternen
11.1
11.2
Die sonnennächsten Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.1 Direkte Messung von Sternradien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.2 Doppelsternsysteme
und die Bestimmung von Sternmassen und Sternradien . . .
11.1.3 Spektraltypen der Sterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.1.4 Hertzsprung-Russel-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Geburt von Sternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.1 Das Jeans-Kriterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.2 Die Bildung von Protosternen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.2.3 Der Einfluss der Rotation auf kollabierende Gaswolken . .
11.2.4 Der Weg des Sterns im Hertzsprung-Russel-Diagramm . . .
345
346
349
352
353
355
355
357
359
359
Inhaltsverzeichnis
11.3
Der stabile Lebensabschnitt von Sternen (Hauptreihenstadium) . . .
11.3.1 Der Einfluss der Sternmasse
auf Leuchtkraft und Lebensdauer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.3.2 Die Energieerzeugung in Sternen der Hauptreihe . . . . . . . .
11.4 Die Nach-Hauptreihen-Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.1 Sterne geringer Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.4.2 Die Entwicklung von Sternen mit mittleren Massen . . . . . .
11.4.3 Die Entwicklung massereicher Sterne
und die Synthese schwerer Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5 Entartete Sternmaterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
∗
11.5.1 Zustandsgleichung entarteter Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.2 Weiße Zwerge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.3 Neutronensterne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.5.4 Pulsare als rotierende Neutronensterne . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6 Schwarze Löcher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.1 Der Kollaps zu einem Schwarzen Loch . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.2 Schwarzschild-Radius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.3 Lichtablenkung im Gravitationsfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.6.4 Zeitlicher Verlauf des Kollapses eines Schwarzen Loches .
11.6.5 Die Suche nach Schwarzen Löchern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7 Beobachtbare Phänomene während des Endstadiums von Sternen .
11.7.1 Pulsationsveränderliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.2 Novae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.3 Sterne stehlen Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.4 Supernovae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11.7.5 Planetarische Nebel und Supernova-Überreste . . . . . . . . . . .
11.8 Zusammenfassende Darstellung der Sternentwicklung . . . . . . . . . . .
11.9 Zum Nachdenken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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392
394
395
396
12. Die Entwicklung und heutige Struktur des Universums
12.1
12.2
12.3
Experimentelle Hinweise
auf ein endliches expandierendes Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1.1 Das Olber’sche Paradoxon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.1.2 Homogenität des Weltalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Die Metrik des gekrümmten Raumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Das Standardmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.1 Strahlungsdominiertes und massedominiertes Universum .
12.3.2 Hubble-Parameter und kritische Dichte . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.3 Die frühe Phase des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.4 Die Synthese der leichten Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.5 Übergang vom Strahlungszum Masse-dominierten Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.6 Die Bildung von Kugelsternhaufen und Galaxien . . . . . . . .
12.3.7 Das Alter des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.8 Friedmann-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
398
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411
411
412
XVII
XVIII
Inhaltsverzeichnis
12.3.9 Die Rotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.3.10 Das Horizontproblem und das Modell des Inflationären
Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4 Bildung und Struktur von Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.1 Galaxien-Typen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.2 Aktive Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.3 Galaxienhaufen und Superhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.4.4 Kollidierende Galaxien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5 Die Struktur unseres Milchstraßensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.1 Stellarstatistik und Sternpopulationen . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.2 Die Bewegungen der sonnennahen Sterne . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.3 Die differentielle Rotation der Milchstraßenscheibe . . . . . .
12.5.4 Die Spiralarme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.5 Kugelsternhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.6 Offene Sternhaufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.7 Das Zentrum unserer Milchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.8 Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße . . . . . . . .
12.5.9 Dynamik unserer Milchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.5.10 Der Raum zwischen den Sternen, Interstellare Materie . . .
12.5.11 Das Problem der Messung kosmischer Entfernungen . . . . .
12.6 Das dunkle Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.1 Dunkle Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.6.2 Dunkle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.7 Die Entstehung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8 Die Entstehung unseres Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8.1 Kollaps der rotierenden Gaswolke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8.2 Die Bildung der Planetesimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.8.3 Die Trennung von Gasen und festen Stoffen . . . . . . . . . . . . .
12.8.4 Das Alter des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9 Die Entstehung der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.1 Die Separation von Erdkern und Erdmantel . . . . . . . . . . . . .
12.9.2 Die Erdkruste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.3 Vulkanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.4 Bildung der Ozeane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12.9.5 Die Bildung der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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464
Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Zeittafel zur Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Lösungen der Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Farbtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
Sach- und Namensverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
1. Einleitung
Praktisch alle Erscheinungen in unserer irdischen Umwelt können auf Gravitation und elektromagnetische
Wechselwirkungen zurückgeführt werden. Das makroskopische Verhalten der Materie, das sich z. B. durch
ihre mechanischen, elektrischen oder optischen Eigenschaften ausdrückt, wird im Wesentlichen nur durch die
Elektronenhüllen der Atome bestimmt, deren Anordnung durch die elektromagnetische Wechselwirkung
festgelegt wird, wie wir in Bd. 3 gesehen haben. Auch
alle chemischen und biologischen Reaktionen, welche das Leben auf der Erde bestimmen, beruhen auf
elektromagnetischen Wechselwirkungen zwischen den
Elektronenhüllen von Atomen und Molekülen. Da die
Elektronen das elektrische Coulomb-Feld des Atomkerns weitgehend abschirmen, wechselwirken Kerne
neutraler Atome, außer durch Gravitationswechselwirkung aufgrund ihrer Masse, kaum mit anderen
Teilchen außerhalb des eigenen Atoms. Diese Tatsache
hat sicher dazu beigetragen, dass Atomkerne erst im
20. Jahrhundert entdeckt wurden. Die Kernphysik, die
sich mit den Eigenschaften und Strukturen der Kerne
beschäftigt, ist daher eine relativ junge Wissenschaft.
1.1 Was ist Kern-, Elementarteilchenund Astrophysik?
In der Kernphysik wird untersucht, aus welchen Bausteinen die Atomkerne aufgebaut sind, welche Kräfte
sie zusammenhalten, wie groß die Bindungsenergien
sind, welche Energiezustände angeregter Kerne möglich sind, in welcher Form die Anregungsenergie abgegeben wird, wann Kerne stabil sind oder wann sie zerfallen können, und wie Kerne beim Zusammenstoß mit
anderen Teilchen reagieren. Die genaue Kenntnis der
charakteristischen Eigenschaften der Kerne, wie z. B.
ihre Masse, die Ladungsverteilung im Kern, elektrische
und magnetische Momente von Kernen und die Kern-
W. Demtröder, Experimentalphysik 4
10.1007/978-3-642-01598-4, © Springer 2010
drehimpulse, ist dabei Voraussetzung für die weitergehende Untersuchung der Dynamik angeregter Kerne.
Während die Atomhüllenphysik durch die bekannte elektromagnetische Wechselwirkung beschrieben werden kann und inzwischen eine einheitliche geschlossene Theorie (Quantenmechanik bzw.
Quantenelektrodynamik) existiert, welche alle bisher
beobachteten Phänomene der Atomphysik richtig wiedergibt (wenn auch die meisten Probleme nur durch
Näherungsverfahren numerisch gelöst werden können), wird die Struktur der Atomkerne außer durch
elektromagnetische Kräfte durch zwei neue Arten von
Kräften beherrscht. Über diese starke und schwache
Wechselwirkung gibt es bisher, trotz großer Fortschritte
in den letzten Jahren, nur unvollkommene Kenntnisse und noch keine gesicherte vollständige Theorie.
Trotzdem sind eine Reihe phänomenologischer Modelle entwickelt worden, die viele Eigenschaften der
Atomkerne richtig beschreiben. Sie sind häufig an Vorbilder aus der Atomphysik angelehnt, wie z. B. das
Schalenmodell, oder orientieren sich an Vorstellungen
der Kontinuumsphysik, wie z. B. das Tröpfchenmodell
des Atomkerns.
Eine tiefere Einsicht in die Kernphysik hat die
Hochenergiephysik gebracht, in der die Substruktur
der Kernbausteine, der Nukleonen, untersucht wird.
Das Quarkmodell, welches einen Aufbau aller Nukleonen aus elementaren Fermionen, den Quarks,
annimmt, und die Kräfte zwischen ihnen auf den
Austausch von anderen elementaren Teilchen (Gluonen und Vektorbosonen) zurückführt, hat zu einer
Theorie, der Quantenchromodynamik, geführt, die alle
bisherigen Beobachtungen richtig erklären und teilweise auch vorhersagen konnte. Sie ist in Analogie
zur Quantenelektrodynamik der Atomhülle entwickelt
worden.
Deshalb ist es auch aus didaktischen Gründen
zweckmäßig, die Kern- und Teilchenphysik erst nach