6162 Kern- und Teilchenphysik - Institut für Kernphysik der

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Kern- und Teilchenphysik
6162 Kern- und Teilchenphysik
3 Stunden
Di. 12:00-12:45 im Hörsaal III
Do. 10:00-11:30 im Hörsaal II
diese Woche 12:00-13:30
diese Woche 10:00-10:45
Übungen
Di. 12.45-13:30 im Hörsaal III, Leiter: Tanja Kotthaus
Klausur : 29.02.2012 im HS I von 9:00-12:00
Dozent: Peter Reiter, Institut für Kernphysik
Fon: 0221-470 3624 email: [email protected]
Beginn: Dienstag, den 11.10.2011, 12 Uhr
Folien und Übungsblätter:
http://www.ikp.uni-koeln.de/groups/reiter/lehre.html
Gilt die Spezielle Relativitätstheorie noch?
Relativitätstheorie auf dem Prüfstand - Teilchen rasen schneller als Einstein erlaubt
Freitag, 23.09.2011, 16:34 · FOCUS
Forscher staunen über rasende Neutrinos
16.111 Verstöße gegen das Tempolimit des Universums
23.09.2011, 17:53 Süddeutsche Zeitung
Tief unter der Erde sind Wissenschaftler im Forschungszentrum CERN dabei, die Weltgesetze auszuhebeln:
Sie wollen Neutrinos entdeckt haben, die schneller als das Licht sind. Ihre Ergebnisse rütteln an
Einsteins Relativitätstheorie. Doch Physiker weltweit sind skeptisch - die Suche nach der Fehlerquelle beginnt.
Schneller als das Licht
FAZ - Frankfurter Allgemeine Zeitung - 24.09.2011
Als Physikstudent wird man im Laufe des Studiums und der damit verbundenen Abfolge von mündlichen
Prüfungen darauf trainiert, mit einem speziellen Typ von Fangfragen souverän umzugehen. Dieser Fragentyp
hat die Struktur: „X ist schneller als das Licht. ...
Hat sich Albert Einstein geirrt oder nicht?
Hamburger Abendblatt - 24.09.2011
Nichts ist schneller als das Licht? Forscher haben eine Entdeckung gemacht, die einen Teil der
Relativitätstheorie widerlegen könnte. Albert Einstein glaubte: Nichts ist schneller als das Licht.
Forscher haben jetzt eine Entdeckung gemacht, ...
Geht's auch etwas schneller als das Licht?
WELT ONLINE - 23.09.2011
Wenn es tatsächlich stimmt, wäre es eine Jahrhundertsensation und der erste Hinweis darauf, dass
Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie zumindest in Teilen falsch lag. Denn ein internationales
Forscherteam berichtet jetzt, dass die vielleicht ...
Was passierte in Fukushima?
LHC und die Suche nach dem Higgs-Teilchen
LHC-Experiment „Atlas“„Wir wollen das Higgs-Teilchen finden“
Dienstag, 30.03.2010, 08:57 · FOCUS-Online
Ein Gespräch mit dem CERN-Chef, Rolf-Dieter Heuer
Einige denken nicht weit genug
FAZ - Frankfurter Allgemeine Zeitung - vor 4 Tagen
Die Natur scheint es den Physikern des Forschungszentrums Cern derzeit nicht gerade leicht zu machen.
Weder das Higgs-Teilchen, noch Susy-Partikeln sind im „Large Hadron Collider“ bislang aufgetaucht.
Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer blickt nach wie vor optmistisch in die Zukunft.
Vertrag für milliardenschweres
Beschleunigerzentrum unterzeichnet
04.10.2010 - WIESBADEN / DARMSTADT
Der milliardenschwere Bau eines weltweit einmaligen Teilchenbeschleunigers ist als internationales
Projekt besiegelt. Die neun teilnehmenden Staaten - darunter Finnland, Frankreich und Indien, Polen,
Rumänien und Russland - unterzeichneten am Montag in Wiesbaden einen Vertrag über Bau und Betrieb
des Forschungszentrums in Darmstadt. Mit Kosten von rund einer Milliarde Euro ist die Anlage nach
Angaben der hessischen Landesregierung eines der größten Forschungsprojekte in Deutschland.
Der Beschleuniger steht künftig auf dem Gelände des GSI- Helmholtzzentrums für
Schwerionenforschung. Durch FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research/Anlage für Antiprotonenund Ionenforschung) wollen die Experten Neues zur Entstehung des Universums und zum inneren
Aufbau der Materie erfahren.
3.000 Wissenschaftler planen derzeit die Anlage
Während derzeit etwa 3.000 Wissenschaftler in 40 Ländern die Anlage planen, soll der eigentliche
Tiefbau im Herbst 2011 beginnen. Das Projekt kostet in der Startversion eine Milliarde Euro, im
Vollausbau 1,2 Milliarden Euro. Deutschland stellt drei Viertel des Geldes bereit. "Hessen hat sich als
Standortland bereiterklärt, 94 Millionen Euro in den Bau von FAIR zu investieren", sagte Ministerpräsident
Volker Bouffier (CDU) bei der Unterzeichnung.
FAIR sei wie ein kleinerer Bruder des 27 Kilometer langen Teilchenbeschleunigers CERN bei Genf,
erläuterte GSI-Sprecher Ingo Peter. Bei CERN errichten die beschleunigten Teilchen höhere
Geschwindigkeiten und im Aufprall höhere Temperaturen. "In Genf kommen wir dem Urknall schon sehr
nahe." Was geschah in der tausendstel Sekunde nach dem Urknall?
„Kleine Atome, große Maschine“
Kölner Stadtanzeiger, 20.07.10
5,5 Millionen Euro teuer und 18 Tonnen schwer ist das neue Baby des Instituts für
Kernphysik an der Universität Köln: Der Teilchenbeschleuniger, der seit Mai im
Institutskeller steht, begeistert nicht nur die Kölner Wissenschaftler, sondern Forscher
in der ganzen Bundesrepublik.
Kern- und Teilchenphysik
Heute Einführung:
• Gegenstand der Kern- und Teilchenphysik
• Historisches
• Literatur
• Begriffe und Nomenklatur
Warum Kern- und Teilchenphysik studieren?
Kernphysik ist nützlich!
Bildgebende Verfahren in der Medizin
MRI oder NMR
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PET Positron Emission Tomography
Medizinische Strahlentherapie
Protonen- und Schwerionentherapie
“The 11 Greatest Unanswered Questions of Physics”
National Academy of Science Report
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What is dark matter?
What is dark energy?
How were the heavy elements from iron to uranium made?
Do neutrinos have mass?
Where do ultra-energy particles come from?
Is a new theory of light and matter needed to explain what
happens at very high energies and temperatures?
Are there new states of matter at ultrahigh temperatures and
densities?
Are protons unstable?
What is gravity?
Are there additional dimensions?
How did the Universe begin?
Warum Kern- und Teilchenphysik studieren?
Kernphysikalische Prozesse spielen eine fundamentale
Rolle für das Verständnis unserer physikalischen Welt:
• Ursprung des Universums
• Entstehung der chemischen Elemente
• Energie der Sterne
• Bestandteile der Materie
Kerne
Größenskalen
Grenzen des bekannten Universums: 10+26 m
Galaxien: 10+21 m
Makroskopische Gebilde: 10-3 m - 10+3 m
Kristalle, Moleküle: 10-9 m - 10-8 m
Atome : 10-10 m
(Angström)
Kerne: 3 -10 fm = 3 -10 x 10-15 m,
(1 Femtometer = Fermi)
Nukleon: 10-15 m
Elementarteilchen: < 10-18 - 10-21 m.
Wechselwirkungen und Kräfte
• Alle Wechselwirkungen WW zwischen Teilchen können
durch vier fundamentale Kräfte beschrieben werden:




Gravitation
Elektromagnetische Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung
• Auf kurzen Distanzen (~fm) ist die starke- und schwache
Wechselwirkung innerhalb der Kerne stärker als die EM-WW.
Stärke der fundamentalen Kräfte
Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik
• Entdeckung der Röntgenstrahlung (1895 Röntgen)
• Entdeckung der Radioaktivität (1896 Becquerel)
• Entdeckung des Elektrons (1897 Thomson)
Elektron
J.J. Thomson:
Experimente mit Kathodenstrahlen
Eigenschaften des Elektrons
• Ladung: e=1.602 • 10-19 C
Millikan (1910)
• Ruhemasse: me=0.510999 MeV/c²
• Spin: s=½ ħ
• Magnetisches Moment:
µ=e ħ/2me=5.788 • 10-11 MeV/T
Elektron ist ein Elementarteilchen
R < 10-18 m
Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik
• Gesetze des radioaktiven Zerfalls (1897 Rutherford, Soddy)
• Identifizierung der α-, β- und γ−Strahlung (1897 Rutherford)
• α-Streuexperimente, Existenz des Atomkerns
(1911 Rutherford, Geiger, Mardsen)
• Systematik der Röntgenspektren,
=> Ordnungszahl, Basis für Periodensystem (1913 Mosley)
Protonenzahl: Ladung des Atomkerns
• Ladungszahl Z gibt die Zahl der
Protonen im Kern an, Ladung
Q=Ze
• Bestimmung von Z: Messung der
Röntgenübergangsenergie aus
der L- in die K-Schale
• Moseley‘sches Gesetz:
E(Kα)=1/2 α2 me c2 (Z-1)2
Historisches, wichtige Daten
• Bohrsches Atommodell
Erklärung des Wasserstoffspektrums (1913 Bohr)
• Erste Kernreaktionen / Transmutation (1919 Rutherford)
• Entwicklung der Quantenmechanik
(ab 1925 u.a. De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born)
• Neutrinohypothese (1930 Pauli)
• Erste Teilchenbeschleuniger
(1930-32 Van de Graaf, Cockroft, Walton, Lawrence)
• Entdeckung des Neutrons (1932 Chadwick)
Entdeckung des Neutrons 1932
• Das Neutron als Teil des
Atomkerns wurde 1932 von
Chadwick als Produkt der
Kernreaktion:
4He + 9Be -> 12C + n + Q
• Die ungeladenen Neutronen
wurden an Wasserstoffkernen gestreut. Bei
zentralen Stößen wird die
gesamte Energie auf das
Proton übertragen.
Historisches, …
• Entdeckung des Positrons (1932 Anderson)
• Theorie des Betazerfalls (1934 Fermi)
• Beschreibung der Kernkräfte durch Mesonenaustausch (1935 Yukawa)
• Entdeckung des Myons (1937 Anderson, Neddermeyer)
• Theorie der thermonuklearen Reaktionen in Sternen (1938 Bethe)
Historisches aus der Kernphysik
• Entdeckung der Kernspaltung (1938 Hahn, Straßmann)
• Theorie der Spaltung, Tröpfchenmodell (1939 Meitner, Frisch, Bohr, Wheeler)
• Produktion der ersten Transurane (1940 Seaborg)
• Erste kontrollierte Kettenreaktion (1942 Fermi)
• Entwicklung der Atombombe (1945 Oppenheimer(Manhatten Project))
• Entdeckung des Pion oder Pi-Mesons (1947 Powell)
• Schalenmodell der Kernstruktur (1949 Goeppert-Mayer, Jensen, Haxel, Suess)
• Seltsamkeits-Hypothese (1953 Gell-Mann, Nishjima)
• Erster Nachweis von Teilchen mit Seltsamkeit (1953 Brookhaven National Laboratory)
• Kollektives Modell für Kerne (1953 A. Bohr, Mottelson, Rainwater)
• Entdeckung des Antiprotons (1955 Chaimberlain, Segre)
Historisches, wichtige Daten
• Experimenteller Nachweis des Neutrinos (1956 Reines, Cowan)
• Nachweis der Paritätsverletzung im Beta-Zerfall (1956 Lee, Yang, Wu)
• Quarkmodell der Hadronen (1964 Gell-Mann, Zweig)
• Elektroschwache Vereinigung (1967 Weinberg, Salam)
• Entwicklung der Quantenchromodynamik (1972 Gell-Mann)
Historisches, wichtige Daten
• Nachweis des J/Y Mesons (1974 Richter, Ting)
• Entdeckung des Tau-Leptons (1975 Perl)
• Entdeckung des Bottom Quarks (1977 Ledermann)
• Entdeckung der W und Z Bosonen (1983 Rubbia)
• Messung solarer Neutrinos (1960er - 1994, Davis)
• Messung von Neutrinos aus Supernova (1987 Koshiba)
• Entdeckung des Top Quarks (1995 Fermi Laboratory)
• Nachweis von Neutrino-Oszillationen
(1998 Super-Kamikoande, 2001 SNO, 2003 KAMLAND)
Literaturliste
Kern- und Teilchenphysik
•
•
Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Kernphysik (Springer)
Machner: Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik (Wiley-VCH)
Literatur
Kernphysik
Kernphysik und wenig Teilchenphysik
•
Bethge: Kernphysik (Springer 1996)
•
Demtröder: Experimentalphysik 4 (Springer 2004)
•
Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner 1984)
Literaturliste
Kernphysik weiterführende Lehrbücher
• Krane: Introductory Nuclear Physics (Wiley & Sons 1987)
• Casten: Nuclear Structure from a Simple Perspective
• Heyde: Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics
Nuklidkarte
Nomenklatur
• Ein Nuklid ist ein Atomkern aus Z Protonen und N Neutronen.
• Massenzahl A, die Summe von Protonenzahl und Neutronenzahl,
Summe aller Nukleonen in diesem Atomkern: A = N + Z
• Die Ordnungszahl Z ist für das Element spezifisch.
Mit q wird die Ionenladung bei atomaren Prozesse angegeben.
• Nuklide mit gleichem Z, N oder A haben folgende Namen:
Isotope: Nuklide mit gleichem Z
Isotone: Nuklide mit gleichem N
Nuklidkarte
Isobare: Nuklide mit gleichem A
• Vollständige Schreibweise:
• ist redundant
wg. Z~X, A=N+Z
Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik
• Längen
Kerne haben Radien von einigen Femtometer fm
(1fm = 10-15 m), 1fm wird auch als Fermi bezeichnet
• Energie
Energien werden in Elektronenvolt eV angegeben.
Energie die eine Teilchen mit der Elementarladung 1e (= 1,602 ·10-19 C)
beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1V gewinnt.
1 eV = 1, 602 · 10-19 J.
Typische Werte: Atomphysik: eV
Kernphysik: keV, MeV
Hochenergiephysik: GeV, TeV .
• Massen
atomare Masseneinheiten (1u = 1/12m[12C] = 1, 66 · 10-27 kg)
oder gemäß Massen-Energie-Äquivalenz E = mc2 in MeV/c2
eine atomare Masseneinheit 1 u = 931,5 MeV/c2
Einheiten und Konstanten
Quantenmechanische Systeme:
Heisenbergsche Unschärferelation
verknüpft Zeit- und Energieskalen, Planck-Konstant (Wirkungsquantum):
Lichtgeschwindigkeit:
Feinstrukturkonstante
Masse-Energie-Äquivalenz
A. Einstein
E = mc
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• Drückt die Ladung in einer einfachen Art aus
• Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung
Natürliche Einheiten
Natürliche Einheiten
Einheitensystem bei dem von den Maßen (Meter, Kilogramm und Sekunde)
auf die Einheiten (¯h, c, MeV ) oder (¯h, c, fm) übergegangen wird
Die Relation zwischen beiden Systemen ist gegeben durch:
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