Inhaltsverzeichnis

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
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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
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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113
116
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116
119
119
120
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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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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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155
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164
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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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205
206
209
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
220
221
221
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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
239
239
241
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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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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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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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386
387
388
391
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
399
400
400
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404
406
410
411
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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458
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460
460
461
463
464
Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Zeittafel zur Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Lösungen der Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Farbtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
Sach- und Namensverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537