Vorwort zur ersten Auflage
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Springer-Lehrbuch Experimentalphysik Band 1 Mechanik und Wärme 3. Auflage ISBN 3-540-43559-x Band 2 Elektrizität und Optik 3. Auflage ISBN 3-540-20210-2 Band 3 Atome, Moleküle und Festkörper 2. Auflage ISBN 3-540-66790-3 Band 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 2. Auflage ISBN 3-540-21451-8 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik Zweite, überarbeitete Auflage Mit 543, meist zweifarbigen Abbildungen, 15 Farbtafeln, 62 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 104 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen 123 Professor Dr. Wolfgang Demtröder Universität Kaiserslautern Fachbereich Physik 67663 Kaiserslautern, Deutschland e-mail: [email protected] oder [email protected] URL: http://www.physik.uni-kl.de/w_demtro/w_demtro.html ISBN 3-540-21451-8 2. Auflage Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York ISBN 3-540-42661-2 und ISBN 3-540-57097-7 1. Auflage Springer Berlin Heidelberg New York Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de c Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998, 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat, Satz, Illustrationen und Umbruch: LE-TeX Jelonek, Schmidt & Vöckler GbR, Leipzig Umschlaggestaltung: design & production GmbH, Heidelberg Druck und Bindearbeiten: Universitätsdruckerei H. Stürtz AG, Würzburg Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10973134 56/3141/YL - 5 4 3 2 1 0 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- VI 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 Springer-Verlag 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 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 Neutrino-Detektor 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 SternInterferometrie 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 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 10 13 14 15 18 20 20 23 26 26 27 29 32 33 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 36 38 39 41 43 43 46 47 48 49 51 X 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 52 53 53 54 56 56 57 58 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 Kreisbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.6 Stabilisierung der Teilchenbahnen in Beschleunigern . . . . . 4.1.7 Speicherringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.8 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 61 62 64 66 67 71 76 80 82 82 85 87 89 90 91 94 96 97 101 102 104 105 106 109 110 110 113 113 114 5. Kernkräfte und Kernmodelle 5.1 5.2 Das Deuteron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Nukleon-Nukleon-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Inhaltsverzeichnis 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 122 125 125 127 129 130 133 140 140 142 144 145 147 148 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 149 150 150 150 152 153 153 153 153 154 154 154 155 156 158 158 159 160 162 163 164 167 168 7. Physik der Elementarteilchen 7.1 7.2 Die Entdeckung der Myonen und Pionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Der Zoo der Elementarteilchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 7.2.1 Lebensdauer des Pions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 XI XII Inhaltsverzeichnis 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 173 174 176 176 177 179 180 181 182 184 186 187 189 190 190 191 193 194 196 198 200 202 203 204 205 206 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.5 Sicherheit von Kernreaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.6 Radioaktiver Abfall und Entsorgungskonzepte . . . . . . . . . . . 207 207 210 211 211 213 213 216 216 217 217 220 221 223 226 229 Inhaltsverzeichnis 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 231 231 232 233 236 236 238 239 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 243 244 244 245 246 246 247 247 248 250 250 251 251 253 254 256 256 257 258 260 261 264 264 266 266 268 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1.5 Größe, Masse und mittlere Dichte der Planeten . . . . . . . . . . 10.1.6 Energiehaushalt der Planeten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 269 271 272 275 276 278 XIII XIV Inhaltsverzeichnis 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 Die Planetoiden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.2 Kometen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4.3 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 Der Energietransport in der Sonne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.6 Die Photosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.7 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 280 280 281 284 286 289 289 292 294 296 296 298 300 302 302 303 305 306 311 312 315 317 317 319 320 321 323 324 11. Geburt, Leben und Tod von Sternen 11.1 11.2 11.3 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 . . 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 . . . . . . . . 327 328 331 334 335 337 337 339 340 341 342 343 343 Inhaltsverzeichnis 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 346 346 348 350 350 352 354 357 360 360 361 362 363 364 364 365 367 368 369 371 371 373 374 375 12. Die Entwicklung und heutige Struktur des Universums 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 Experimentelle Hinweise auf ein endliches expandierendes Universum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1.1 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 Die Bildung von Kugelsternhaufen und Galaxien . . . . . . . . 12.3.6 Das Alter des Universums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.7 Friedmann-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.8 Die Rotverschiebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Struktur unseres Milchstraßensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 380 380 382 382 383 385 387 388 389 389 391 393 394 397 398 399 400 XV XVI Inhaltsverzeichnis 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 Dynamik unserer Milchstraße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.9 Interstellare Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.10 Das Problem der Messung kosmischer Entfernungen . . . . . 12.6 Die Entstehung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7 Die Entstehung unseres Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.1 Kollaps der rotierenden Gaswolke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.2 Die Bildung der Planetesimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.7.3 Die Trennung von Gasen und festen Stoffen . . . . . . . . . . . . . 12.7.4 Das Alter des Sonnensystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8 Die Entstehung der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.1 Die Separation von Erdkern und Erdmantel . . . . . . . . . . . . . 12.8.2 Die Erdkruste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.3 Vulkanismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.4 Bildung der Ozeane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.8.5 Die Bildung der Erdatmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 402 403 406 408 409 411 412 413 416 418 420 420 422 424 424 427 427 428 429 429 430 432 433 Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Zeittafel zur Astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Lösungen der Übungsaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441 Farbtafeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489 Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497 Sach- und Namensverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 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 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 Kerndrehimpulse, ist da- bei 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 der Atom- und Festkörperphysik zu studieren, ob- 2 1. Einleitung wohl bei der Darstellung des systematischen Aufbaus größerer Strukturen aus ihren Bausteinen die Kernphysik eigentlich vor der Atomphysik behandelt werden müsste. Da man Atomkerne nicht direkt sehen kann, mussten spezielle Nachweistechniken zu ihrer Beobachtung entwickelt werden. Diese nutzen überwiegend die Wechselwirkung unabgeschirmter Kerne entweder mit den Atomhüllen anderer Atome oder auch mit denen des eigenen Atoms aus. Beispiele der ersten Art sind die Ionisation von Luftmolekülen in der Nebelkammer durch Alphateilchen oder die durch radioaktive Teilchenstrahlung induzierte Lichtemission von Szintillatoren (Kap. 4). Ein Beispiel der zweiten Art ist die durch die Wechselwirkung mit elektrischen oder magnetischen Momenten des Kerns bewirkte Hyperfeinstruktur der Termwerte der Elektronenhülle (siehe Abschn. 2.5 und Bd. 3, Abschn. 5.6). Solche Nachweistechniken und die Interpretation der experimentellen Ergebnisse erfordern deshalb oft Kenntnisse aus der Atom- oder Festkörperphysik, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts noch nicht verfügbar waren. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Untersuchung von Kernen als quantenmechanische Teilchen beruht auf der Wellennatur der Materie (siehe Bd. 3, Kap. 3): Zur Untersuchung der Struktur von Atomkernen mit Hilfe von Streuexperimenten muss man Sonden verwenden, die ein genügend großes räumliches Auflösungsvermögen haben. Benutzt man Teilchen als Projektile bei der Streuung an Atomkernen, so muß deren De-Broglie-Wellenlänge klein sein gegen die Kerndimensionen, d. h. ihre kinetische Energie muss genügend groß sein. Deshalb konnte die systematische Untersuchung der Kernstruktur besonders große Fortschritte machen, nachdem außer den schnellen Teilchen, die von natürlichen radioaktiven Stoffen ausgesandt werden, intensive Teilchenströme hoher Energie aus Beschleunigern zur Verfügung standen. Solche Beschleuniger wurden aber erst in den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts für mittlere Energien und nach dem zweiten Weltkrieg für hohe Energien entwickelt. Dies ist ein weiterer Grund für die, relativ zur Atomphysik, späte Entwicklung der Kernphysik. Die Physik der Elementarteilchen hat durch die Entwicklung gigantischer Beschleuniger und komplexer Detektortechnologie, aber auch durch neue Ideen der Theoretiker sehr große Fortschritte gemacht, und die experimentellen und theoretischen Erfolge der letzten Jahre haben uns dem Ziele einer einheitlichen Theorie aller Wechselwirkungen näher gebracht. Das Gebiet der Elementarteilchenphysik ist nicht nur vorstellungsmäßig, sondern auch in seiner mathematischen Behandlung sehr schwierig. Wir werden es hier deshalb nur auf einer elementaren Ebene behandeln, wobei jedoch die physikalischen Konzepte und die daraus gezogenen Schlussfolgerungen deutlich gemacht werden sollen. Im Gegensatz zur Kernphysik ist die Astronomie, d. h. die Beobachtung von Sternen und Planeten, die genaue Bestimmung ihrer Orte an der Himmelssphäre und ihrer Bewegung im Laufe eines Jahres eine sehr alte Wissenschaft. Die Babylonier, die Ägypter und die Chinesen führten bereits mehrere tausend Jahre vor Christus solche Beobachtungen durch, fertigten Sternkarten und Planetentafeln an und gaben den Himmelskörpern Namen. Die Astrophysik, welche den Aufbau und die Entwicklung von Sternen zu verstehen versucht, entwickelte sich jedoch erst in den letzten zwei Jahrhunderten. Der rasante Fortschritt der Erkenntnisse auf diesem Gebiet hat mehrere Ursachen: Zum einen sind die Beobachtungsgeräte und -techniken im 20. Jahrhundert wesentlich verbessert worden, und die Beobachtung mit Satelliten außerhalb der Erdatmosphäre hat uns die Möglichkeit gegeben, Strahlung in Spektralbereichen (Infrarot, Ultraviolett, Gammabereich) zu untersuchen, die von der Erdatmosphäre nicht durchgelassen wird und deshalb durch erdgebundene Beobachtung nicht erfasst wird. Einen wesentlichen Anteil an den Erkenntnissen hat jedoch die Entwicklung in der Kern- und Teilchenphysik. Sie hat das Verständnis der Energieproduktion in Sternen ermöglicht und genauere kosmologische Modelle für die Entwicklung unseres Universums erst hervorgebracht. Deshalb hängt die Behandlung vieler astrophysikalischer Probleme eng mit der Kern- und Teilchenphysik zusammen und passt damit gut in den Rahmen dieses Bandes. 1.2 Historische Entwicklung der Kernund Elementarteilchenphysik Die quantitative Kernphysik begann Anfang des 20. Jahrhunderts mit den Rutherfordschen Streuversu- 1.2. Historische Entwicklung der Kern- und Elementarteilchenphysik Abb. 1.1. Antoine Henri Becquerel. Aus E. Bagge: Die Nobelpreisträger der Physik (Heinz-Moos-Verlag, München 1964) Abb. 1.3. Lord Ernest Rutherford. Aus St. Weinberg: Teile des Unteilbaren (Spektrum, Heidelberg 1990) chen (1909–1910) (Bd. 3, Abschn. 2.8), durch die zum ersten Mal experimentell gezeigt wurde, dass Atome aus einem positiv geladenen Kern bestehen, der fast die gesamte Masse des Atoms enthält, aber nur ein sehr kleines Volumen einnimmt, und aus einer negativ geladenen Elektronenhülle, deren räumliche Verteilung das wesentlich größere Atomvolumen bestimmt. Signale von Atomkernen in Form radioaktiver Strahlung wurden zwar bereits 1896 von Antoine Henri Becquerel (1852–1908) gefunden (Abb. 1.1), der feststellte, dass von Uranerzen ausgehende ,,Strahlen“ Photoplatten schwärzen, aber noch nichts von der Existenz der Atomkerne wusste. Systematische Untersuchungen durch Marie Skłodowska-Curie (1867–1934) und Pierre Curie (1859–1906) (Abb. 1.2) führten 1898 zur Entdeckung zweier neuer besonders intensiv strahlender chemischer Elemente, des Poloniums und des Radiums (Nobelpreis 1903). Lord Ernest Rutherford (1871–1937, Abb. 1.3) und Frederick Soddy (1877–1956) konnten in den Jahren 1902–1909 zeigen, dass es drei Arten radioaktiver Strahlen gab, die als α-, β- und γ-Strahlen bezeichnet wurden. Alle diese Untersuchungen trugen dazu bei, eine Vielzahl von Fakten über radioaktive Strahlung zu sammeln, die sich später als sehr nützlich erweisen sollten. Ein wirkliches Verständnis der Radioaktivität Abb. 1.2. Das Ehepaar Marie Skłodowska-Curie und Pierre Curie. Aus E. Bagge: Die Nobelpreisträger der Physik (HeinzMoos-Verlag, München 1964) 3
