Einführung Kern- und Teilchenphysik

Werbung
KZO Wetzikon
Einführung Kern- und Teilchenphysik
Astronomiefreifach HS 2002/2003
Stefan Leuthold
Historisches
Standardmodell der Teilchenphysik
Kern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 2
≈ 600 v. Chr. Thales von Milet
 Entstehung der «Philosophie»
und eigentlicher Beginn der
«Wissenschaft».
 Thales von Milet fragt sich als
einer der ersten, woraus Materie
besteht, deklariert Wasser als
den Grundstoff aller Materie.
 Grundstoffe: Heraklit meint
Feuer, Anaximander das
Apeiron (Unendliches,
Formloses), Anaximenes Luft
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Thales von Milet
Folie Nr. 3
≈ 500 v. Chr. Empedokles
 «Die Vielfalt unserer Welt erklärt sich aus einer
Mischung der vier Elemente Erde, Luft, Wasser
und Feuer zu unterschiedlichen Teilen.»
:= «Aristotelische
Elemente»
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 4
≈ 400 v. Chr. Demokrit
 Von Aristoteles heftig
bekämpft und deshalb 2000
Jahre nicht akzeptiert: Die
Idee der Atome von Demokrit.
 griech. «atomos» := unteilbar
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 5
≈ 1750: Maxwell, Boltzmann
 Daniel Bernoulli, Rudolf Julius
Emanuel Clausius, James Clerk
Maxwell und Ludwig Eduard
Boltzmann stellen eine Gastheorie
auf, welche auf dem Atommodell
beruht und sich als richtig erweist.
Ludwig E. Boltzmann
James Clerk Maxwell
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 6
≈ 1800: Lavoisier, Dalton
 Antoine Laurent Lavoisier
erwähnte chemische Elemente
in seiner «Traité élémentaire de
chimie».
 John Dalton: «Die kleinsten
Einheiten jedes Stoffes bestehen
aus wenigen Atomen, und alle
Atome eines Elements gleichen
einander.»
Antoine Lavoisier
John Dalton
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 7
1895: Roentgen
 Entdeckung Roentgenstrahlen.
Willhelm Conrad Roentgen
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 8
1896: Becquerel
 Entdeckung der Radioaktivität durch Henri
Becquerel (a-,  - und  -Strahlen).
 1898 entdecken Marie und Pierre Curie
Polonium und Radium.
Antoine-Henri
Becquerel
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Marie und Pierre
Curie
Folie Nr. 9
1900: Planck/Thomson
 Max Planck postuliert, dass Strahlungsenergie
nur in einzelnen Quanten (:= Energiepäckchen)
abgegeben oder aufgenommen werden kann.
 Joseph John Thomson fand das Elektron 1897,
und 1900 wurde ihm klar, dass Atome positive
und negative Ladungen haben mussten.
Sir J. J.
Thomson
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Max Planck
Folie Nr. 10
1911: Rutherford.
 Ernest Rutherford macht sein
berühmtes Goldfolienexperiment:
 a-Teilchen werden auf eine sehr
dünne Goldfolie geschossen. Aus
der Streuung dieser Teilchen wird
auf die Ausdehnung des Kerns
geschlossen.
Ernest Rutherford
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 11
Goldfolienexperiment.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 12
1913: Bohr
 Niels Bohr erklärt das Bohr‘sche Atommodell,
mit dessen Hilfe die Enstehung von
Spektrallinien erklärt werden kann: Elektronen
bewegen sich auf Schalen um den Kern.
Niels Bohr
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 13
Bohr‘sches Atommodell
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 14
1920er Jahre
 1924: Louis de Broglie postuliert Wellennatur
aller Teilchen (1925 e–-Wellen gefunden)
 1925 entdeckt Wolfgang Pauli das
Ausschliessungsprinzip, die Grundlage des
modernen Periodensystems
 1926/27 berechnen Erwin Schrödinger und
Werner Heisenberg die Quantenmechanik.
Erwin
Schrödinger
Wolfgang
Pauli
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Werner
Heisenberg
Folie Nr. 15
1930er Jahre
 1932 findet James Chadwick das Neutron
 1932 sagt Wolfgang Pauli das Neutrino voraus
 1938 erklären Lise Meitner und Otto Robert
Frisch aus dem Exil Fritz Strassmann und Otto
Hahn die Kernspaltung
Fritz
Strassmann
Lise
Meitner
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Otto
Hahn
(Chemiker)
Folie Nr. 16
1940-2002
 Viele kleine Entdeckungen, neue Teilchen.
 Kern- und Teilchenphysik mit immer besseren
Beschleunigern und Detektoren.
ALEPH,
Teilchendetektor
am CERN
CERN in
Genf
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 17
1968: Gell-Mann
 Murray Gell-Mann erklärt, dass Nukleonen aus
drei Quarks bestehen - 1995 wird das letzte
Quark gefunden.
 Zuvor postuliert Richard P. Feynman die
«Partonen».
Murray Gell-Mann
und sein
berühmtestes Buch
Murray Gell-Mann
und
Richard Feynmann
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 18
Historisches
Standardmodell der Teilchenphysik
Kern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 19
Standardmodell der Teilchenphysik.
Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik muss folgende Fragen beantworten:
 Woraus besteht die Materie?
=> Fundamentale Teilchen
 Was hält diese Teilchen zusammen?
=> Wechselwirkungen (Kräfte)
 Wie breiten sich diese Wechselwirkungen aus?
(z. B. Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungsgeschwindigkeit aller elektromagnetischen
Wellen)
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 20
Fundamentale Teilchen: Fermionen.
?
Aufspaltung
nach Art
Quarks
2/
Aufspaltung
nach Ladung
Familie
Teilchen
Antiteilchen
Leptonen
- 1/3
3
up
up
u
charm
u
c
c
top
t
t
-1
0
down
Elektron e
down strange bottom
Elektron Müon Tauon
d
d
s
s
b
b
e
e
m
m
t
t
ne
Neutrino n
nm
nt
ne ne nm nm nt nt
Eingekreist ist die elektrische Ladung des Teilchens in Einheiten der Elementarladung e = 1,60218 · 10–19 Coulomb.
Alle Teilchen einer Familie haben dieselbe elektrische Ladung, aber unterschiedliche Massen, Teilchen und
Antiteilchen haben gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung. Das Antiteilchen des Elektrons heisst
Positron, oft schreibt man e– und e+.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 21
Zusammengesetzte Teilchen.
Hadronen
Baryonen
Mesonen
qqq
qq
Proton: uud
Neutron: udd
π+ : ud «Pion»
K+ : us «Kaon»
qqq: Antibaryonen
Hadronen sind Teilchen, welche aus Quarks bestehen und durch die starke
Wechselwirkung zusammengehalten werden (Hadronen heisst «die Starken» auf
griechisch, Wechselwirkungen siehe nächste Folie). Baryonen bestehen aus drei
Quarks, Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. Das Proton mit Ladung 1
besteht zum Beispiel aus zwei up-Quarks und einem down-Quark.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 22
Fundamentale Teilchen: Bosonen.
Fermionen wechselwirken untereinander über die sogenannten Austauschteilchen
oder Bosonen.
Wechselwirkung
Bosonen
betroffene
Teilchen
Reichweite
Starke
Wechselwirkung
8 Gluonen g
Hadronen
≤ 1 fm
Schwache
Wechselwirkung
W+, W–, Z0
(linkshändige
Komponenten
der) Fermionen
10-3 fm
Elektromagnetische
Wechselwirkung
Photonen 
elektrisch
geladene Teilchen
∞
Gravitation
Gravitonen
Teilchen mit
Masse
∞
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 23
Historisches
Standardmodell der Teilchenphysik
Kern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 24
Grössenverhältnisse
Atom
Kern
Proton
Kern
Quarks
Protonen und
Neutronen
10-10 m
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
10-14 m
10-15 m
Folie Nr. 25
Beta-Zerfall: Schwache WW.
ne
x
d
x
W–
u
t
t
udd => uud
uud => udd
n => p
p => n
–-Zerfall: n => p + e– + ne
+-Zerfall: p => n + e+ + ne
Z wird grösser
Z wird kleiner
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 26
Fermigasmodell.
B
EFp
EFn
Protonen
Neutronen
B: Bindungsenergie, Efp und Efn sind die sogenannten «Fermi-Kanten».
Nach dem Pauliprinzip werden je zwei Protonen bzw. Neutronen auf demselben Energieniveau liegen.
Damit es keinen Beta-Zerfall gibt, müssen die beiden oberen Fermi-Kanten auf dem selben Niveau liegen.
Da es mehr Protonen als Neutronen gibt in den meisten Atomen, liegt die untere Fermi-Kante für Neutronen
tiefer als für Protonen: Protonen sind im mittel schwächer gebunden (klar wegen gegenseitiger Abstossung!).
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 27
Astronomie ist schön.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.
Folie Nr. 28
Herunterladen