Teilchen und Kerne
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Teilchen und Kerne Subatomare Physik von Hans Frauenfelder und Ernest M. Henley 3., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 291 Abbildungen und 39 Tabellen R. Oldenbourg Verlag München Wien 1995 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur ersten Ausgabe Vorwort zur zweiten und dritten Ausgabe 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 Hintergrund und Begriffe Größenordnungen Einheiten Die Sprache - Feynman Diagramme Literaturhinweise Aufgaben XII XVI 1 1 1 4 7 8 Teil I - Werkzeuge 11 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 Beschleuniger Wozu Beschleuniger? Der elektrostatische Generator (Van de Graaff) Der Linearbeschleuniger Strahloptik Das Synchrotron Laborsystemund Schwerpunktsystem Speicherringe Zukünftige Entwicklungen Literaturhinweise Aufgaben 12 12 15 17 19 22 28 30 33 37 38 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Durchgang von Strahlung durch Materie Begriffe Schwere geladene Teilchen Photonen Elektronen Kernwechselwirkungen Literaturhinweise Aufgaben 41 41 43 46 48 51 51 52 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Detektoren Der Szintillationszähler Statistische Betrachtungen Der Halbleiterdetektor Die Blasenkammer .-. Die Funkenkammer Drahtfunkenkammer Zeitprojektionskammern Zählerelektronik 55 55 58 62 65 67 69 70 71 VI Inhaltsverzeichnis 4.9 Elektronik: Logik 4.10 Literaturhinweise Aufgaben 73 75 75 Teil П - Teilchen und Kerne 79 5. 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13 Der subatomare Zoo Masse und Spin. Fermionen und Bosonen Elektrische Ladung und magnetisches Dipolmoment Massenbestimmung Ein erster Blick auf den subatomaren Zoo Eichbosonen Leptonen Zerfälle Mesonen Baryonen - Grundzustände Quarks, Gluonen und intermediäre Bosonen Angeregte Zustände und Resonanzen Angeregte Zustände von Baryonen Literaturhinweise Aufgaben 81 81 86 90 95 96 99 100 106 109 112 116 120 127 128 6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 Die Struktur der subatomaren Teilchen Die elastische Streuung Wirkungsquerschnitte und Luminosität Rutherford- und Mott-Streuung Formfaktoren Die Ladungsverteilung kugelförmiger Kerne Leptonen sind punktförmig Der elastische Formfaktor der Nukleonen Die Ladungsradien vom Pion und Kaon Unelastische Elektronenstreuung Tief unelastische Elektronenstreuung Quark-Parton-Modell für tief unelastische Streuung Streuung und Struktur Literaturhinweise Aufgaben 133 133 134 137 141 144 149 154 162 163 166 170 176 195 196 Teil Ш - Symmetrien und Erhaltungssätze 201 7. 7.1 7.2 7.3 7.4 203 203 209 213 215 Additive Erhaltungssätze Erhaltungsgrößen und Symmetrie Die elektrische Ladung Die Baryonenzahl Leptonen- und Myonenzahl Inhaltsverzeichnis VII 7.5 7.6 7.7 7.8 Teilchen und Antiteilchen Hyperiadung und Strangeness (Fremdheitsquantenzahl) Zusätzliche Quantenzahlen von Quarks Literaturhinweise Aufgaben 219 226 229 231 232 8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 Drehimpuls und Isospin Invarianz bezüglich der räumlichen Drehung Symmetrieverletzung durch das magnetische Feld Ladungsunabhängigkeit der starken Wechselwirkung Der Isospin der Nukleonen Isospininvarianz Der Isospin von Elementarteilchen Der Isospin in Kernen Literaturhinweise Aufgaben 234 234 237 237 238 239 242 246 251 251 9. 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9 P, С und T Die Paritätsoperation Die Eigenparität der subatomaren Teilchen Erhaltung und Zusammenbruch der Parität Die Ladungskonjugation Die Zeitumkehr Das Zweizustandsproblem Die neutralen Kaonen Der Sturz der CP-Invarianz Literaturhinweise Aufgaben 254 254 258 262 268 272 275 278 285 288 289 Teil IV - Wechselwirkungen 295 10. 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 297 297 303 306 310 317 321 325 10.9 10.10 10.11 10.12 Elektromagnetische Wechselwirkung Die Goldene Regel Der Phasenraum Die klassische elektromagnetische Wechselwirkung Photonenemission Multipolstrahlung Elektromagnetische Streuung von Leptonen Kollidierende Elektron-Positron-Strahlen Gültigkeit der Quantenelektrodynamik (QED) bei hoher Impulsübertragung Die Photon-Hadron-Wechselwirkung: Vektormesonen Elektron-Positron-Stöße und Quarks Die Photon-Hadron-Wechselwirkung: reelle und raumartige Photonen Zusammenfassung und offene Probleme 327 331 336 341 351 Inhaltsverzeichnis 10.13 Literaturhinweise Aufgaben 352 354 11. 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.10 11.11 11.12 Die schwache Wechselwirkung Das kontinuierliche ß-Spektrum Halbwertszeiten beim ß-Zerfall Die Strom-Strom-Wechselwirkung Ein Überblick über schwache Prozesse Der Zerfall des Myons Der schwache Strom aus Leptonen v Die schwache Kopplungskostante G Seltsame und nichtseltsame schwache Ströme Schwache Ströme in der Kernphysik Massive (massebehaftete) Neutrinos Der schwache Strom von Hadronen bei hoher Energie Literaturhinweise Aufgaben 358 358 363 365 371 376 379 384 385 388 393 396 409 410 12. 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 Einführung in die Eichfeldtheorie Einführung Potentiale in der Quantenmechanik - der Aharanov-Bohm-Effekt Eichinvarianz für Nicht-Abelsche Felder Massives (massebehaftetes) Eichboson Literaturhinweise Aufgaben 415 415 419 421 427 434 435 13. 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Die elektroschwache Theorie Einleitung Die Eichbosonen und der schwache Isospin Die elektroschwache Wechselwirkung Tests des Standard-Modells Literaturhinweise Aufgaben 436 436 437 441 448 454 455 14. Hadronische Wechselwirkungen 14.1 Reichweite und Stärke von niederenergetischen hadronischen Wechselwirkungen 14.2 Die Pion-Nukleon-Wechselwirkung - Überblick 14.3 Die Form der Pion-Nukleon-Wechselwirkung 14.4 Die Yukawa-Theorie der Kernkräfte 14.5 Eigenschaften der Nukleon-Nukleon-Kraft 14.6 Mesonentheorie der Nukleon-Nukleon-Kraft 14.7 Hadronische Prozesse bei hohen Energien 14.8 Die Farbkraft, Quantenchromodynamik 14.9 Literaturhinweise Aufgaben 457 459 463 468 471 473 482 485 492 500 502 Inhaltsverzeichnis IX Teil V - Modelle 507 15. 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 15.9 15.10 Quarks, Mesonen und Baryonen 509 Einführung 509 Quarks als Bausteine der Hadronen 509 Jagd auf Quarks 512 Mesonen als gebundene Quarkzustände 513 Baryonen als gebundene Quarkzustände 517 Die Hadronenmassen 519 QCD (Quantenchromodynamik) und Quarkmodelle der Hadronen... 522 Charmonium, Ypsilon: Schwere Mesonen 532 Ausblick und Probleme 535 Literaturhinweise 536 Aufgaben 538 16. 16.1 16.2 16.3 16.4 Das Tröpfchen-Modell, Das Fermi-Gas-Modell, Schwere Ionen Das Tröpfchenmodell Das Fermi-Gas-Modell Reaktionen schwerer Ionen Literaturhinweise Aufgaben 542 542 547 550 556 558 17. 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 Das Schalenmodell Die magischen Zahlen Die abgeschlossenen Schalen Die Spin-Bahn-Wechselwirkung Das Einteilchen-Schalen-Modell Verallgemeinerung des Einteilchen-Modells Isobare Analog-Resonanzen Literaturhinweise Aufgaben 562 563 567 572 575 577 579 586 587 18. 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 Kollektiv-Modell Kerndeformationen Rotationsspektren von Kernen ohne Spin Rotationsfamilien Einteilchenbewegung in deformierten Kernen (Nilssonmodell) Vibrationszustände in sphärischen Kernen Das wechselwirkende Bosonenmodell Hochangeregte Zustände; Riesenresonanzen Kernmodelle - Abschließende Bemerkungen Literaturhinweise Aufgaben : 590 591 595 599 603 608 612 614 618 622 624 X 19. 19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8 Inhaltsverzeichnis Nukleare Astrophysik Kosmische Strahlung Sternenergie Neutrino-Astronomie Kernsynthese Erlöschen von Sternen und Neutronensterne Der Anfang des Universums Abschließende Bemerkungen Literaturhinweise Aufgaben 629 629 636 638 642 647 653 655 657 659 Anhang Al Die am häufigsten verwendeten Konstanten A2 Eine vollständigere Zusammenstellung von Konstanten A3 Eigenschaften stabiler Teilchen A4 Stabile und instabile Mesonen A5 Stabile und instabile Baryonen A6 Periodensystem der Elemente A7 Kumulierter Index von A-Ketten A8 Kugelfunktionen 661 662 663 666 673 676 679 680 681 Sachregister 683
