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C. Amsler: Kern- und Teilchenphysik, vdf 2007

Kern- und Teilchenphysik WS09/10 Christof Aegerter

Vorlesung: Dienstag 10.15-11.45

Übungen: Peter Keim, Nathan Isert, und Torsten Pietsch Montag 12-14 Uhr, 14-16 Uhr M631, P712, P812

Kontakt: Christof.aegerter@uni-konstanz.de; P1021

http://www.physik.uzh.ch/groups/aegerter/teaching/nuclearphysics.htmlLiteratur:

H. Frauenfelder, E.M. Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg 1999

T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner 1994

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Geschichtlicher Abriss

1896

RadioaktivitätElektron

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1899: Drei Arten von Strahlung

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1902: Radioaktivität ist Kernumwandlung

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1908: Helium Atome sind -Teilchen die ihre positive Ladung verloren haben

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1911: Entdeckung des Kerns

7

1919: Künstliche Kernumwandlung

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1921: -p Streuung – starke Wechselwirkung

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1928: Erklärung der -Strahlung als Tunneleffekt

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1930: Neutrino wird postuliert

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1932: Entdeckung des Neutrons

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1932: Entdeckung des Positrons

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1932: künstliche Kernspaltung

E = mc2

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1933: Erklärung des -Zerfalls

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1935: Teilchenaustausch zur Kraftübertragung

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1936: Entdeckung des Müons

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1936: Kernumwandlungen Transurane

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1938: Spaltung schwerer Kerne

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1942: Kernreaktor

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1945: Atombombe

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1946: Entdeckung des Pions

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1948: C-14 Datierung

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1955: Entdeckung des Antiprotons

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1956: Nachweis des Neutrinos

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1957: Paritätsverletzung

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1958: Mössbauereffekt

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1960er: Kernstruktur/ Partonen

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1963: CP-Verletzung

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1970er: Standardmodell

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1983: Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung

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1992: Nur drei Neutrinos/Familien

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2000: Neutrino-oszillationen

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Was wir behandeln werden

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Inhaltsverzeichnis:0. Geschichtlicher Abriss

1. Streumethoden / Kerneigenschaften1.1. Rutherfordstreuung1.2. Born'sche Näherung1.3. Formfaktoren der Kerne

2. Durchgang von Strahlung durch Materie / Detektoren2.1. Bremsvermögen/Bethe-Bloch2.2. Compton-Streuung2.3. Paarbildung2.4. Szintillationszähler2.5. Cerenkov-Zähler

3. Bindungsenergien / Bethe-Weizsäcker Formel3.1. Fermi-Gas Modell3.2. Tröpfchenmodell und Massenformel3.3. Schalenmodell3.4. Isospin und starke Wechselwirkung

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4. Kernzerfälle4.1. Aktivitäten und Datierungsmethoden4.2. -Zerfall nach Gamov4.3. Kernspaltung4.4. Elektromagnetische Übergänge/ -Zerfall4.5. -Zerfall nach Fermi4.6. Paritätsverletzung

5. Neutrinos5.1. Helizität5.2. Neutrinomasse5.3. Neutrino-Oszillationen

6. Grundzüge der Elementarteilchenphysik/Standardmodell6.1. Leptonen und Quarks6.2. Mesonen und Baryonen6.3. Wechselwirkungen6.4. Jenseits des Standardmodells

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Wichtige Experimente1. Die Entdeckung des Kerns (Rutherford)2. Elektron-Proton Streuung – Struktur der Nukleonen (Hofstadter)3. Nebelkammer / Endeckung des Positrons (Wilson/Anderson)4. Entdeckung des Neutrons (Chadwick)5. Spaltung eines leichten Kerns (Cockroft/Walton)6. Spaltung eines schweren Kerns (Hahn/Strassmann)7. g-Faktor des Elektrons (g-2)8. Mösbauereffekt9. Paritätsverletzung im -Zerfall (Wu/Frauenfelder)10. - Zerfallskette und Paritätsverletzung (Garwin/Ledermann)11. Entdeckung des Neutrinos (Cowan/Reines) 12. Helizität der Neutrinos (Goldhaber)13. Neutrino-oszillationen (SNO/Kamiokande)14. CP-Verletzung bei Kaonen (Cronin/Fitch)

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1.1. Rutherford Streuung

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Drehimpulserhaltung, Kraftstoss

wobei

Merke:

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Quantenmechanische Herleitung

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Also ist der Wirkungsquerschnitt

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In der Quantenmechanik ist die Wellenfunktion (also die Streulänge) gegeben durch die Operation der Wechselwirkung auf die anfängliche Wellenfunktion:

Für Übergänge besser bekannt als Fermi's goldene Regel

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1.2. Born'sche NäherungNur geringe Streuung – Approximation der gestreuten durch die einfallende Welle

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Vergleich zur Optik

Streulänge

"Wirkungsquerschnitt"

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Rutherfordstreuung à la QM

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Quanteneffekte bei Ununterscheidbarkeit der Teilchen

Bromley Kuehner und Almqvist, Phys. Rev. 123, 878 (1961)

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Elektronen-Streuung zur Kernuntersuchung braucht hochrelativistische Elektronen

Ausserdem hat das Elektron einen Spin, der mit dem induzierten Feld des Kerns wechselwirkt.

Impliziert Unterdrückung der Rückstreuung

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Was passiert, wenn der Streuer eine innere Struktur hat?

1.3. Formfaktoren der Kerne

Matrixelement wird:

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Das ist eine Faltung des Potentials mit der Dichte

Oder in Bornscher Näherung

Ist der Formfaktor

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Bei kleinem q (bzw. Winkeln) Guinier-Gesetz in der Optik

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Formfaktor einer Kugel

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oder graphisch

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Einige Beispiele

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e-Streuung an C12

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Ladungsdichten verschiedener Kerne

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e-p Streuung (Hofstadter)

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Formfaktoren der Nukleonen

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Messung von Streuung hochenergetischer e-

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Ergibt nahezu konstanten Formfaktor

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Zusammenfassung Kapitel 1Streuexperimente geben Aufschluss über innere Struktur

In der Born'schen Näherung wird der Streuquerschnitt durch eine Fouriertransformierte gegeben.

Bei zusätzlichen Eigenschaften (wie Spin) muss dies in die Betrachtung einfliessen

Sind die streuenden Teilchen keine Punktteilchen, muss der Formfaktor mitgenommen werden

Daraus lernt man, dass Nukleonen eine Substruktur haben die eine exponentielle Ladungsverteilung ergeben