Kern und Teilchenphysik WS 0910 Christof Aegerter Vorlesung

Kern- und Teilchenphysik WS 09/10 Christof Aegerter Vorlesung: Dienstag 10. 15 -11. 45 Übungen: Peter Keim, Nathan Isert, und Torsten Pietsch Montag 12 -14 Uhr, 14 -16 Uhr M 631, P 712, P 812 Kontakt: Christof. aegerter@uni-konstanz. de; P 1021 http: //www. physik. uzh. ch/groups/aegerter/teaching/nuclearphysics. html Literatur: H. Frauenfelder, E. M. Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg 1999 C. Amsler: Kern- und Teilchenphysik, vdf 2007 T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner 1994 1

Geschichtlicher Abriss 1896 Radioaktivität Elektron 2

1899: Drei Arten von Strahlung 3

1902: Radioaktivität ist Kernumwandlung 4

1908: Helium Atome sind a-Teilchen die ihre positive Ladung verloren haben 5

1911: Entdeckung des Kerns 6

1919: Künstliche Kernumwandlung 7

1921: a-p Streuung – starke Wechselwirkung 8

1928: Erklärung der a. Strahlung als Tunneleffekt 9

1930: Neutrino wird postuliert 10

1932: Entdeckung des Neutrons 11

1932: Entdeckung des Positrons 12

1932: künstliche Kernspaltung E = mc 2 13

1933: Erklärung des b-Zerfalls 14

1935: Teilchenaustausch zur Kraftübertragung 15

1936: Entdeckung des Müons 16

1936: Kernumwandlungen Transurane 17

1938: Spaltung schwerer Kerne 18

1942: Kernreaktor 19

1945: Atombombe 20

1946: Entdeckung des Pions 21

1948: C-14 Datierung 22

1955: Entdeckung des Antiprotons 23

1956: Nachweis des Neutrinos 24

1957: Paritätsverletzung 25

1958: Mössbauereffekt 26

1960 er: Kernstruktur/ Partonen 27

1963: CP-Verletzung 28

1970 er: Standardmodell 29

1983: Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung 30

1992: Nur drei Neutrinos/Familien 31

2000: Neutrino-oszillationen 32

Was wir behandeln werden 33

Inhaltsverzeichnis: 0. Geschichtlicher Abriss 1. Streumethoden / Kerneigenschaften 2. 1. 1. Rutherfordstreuung 3. 1. 2. Born'sche Näherung 4. 1. 3. Formfaktoren der Kerne 2. Durchgang von Strahlung durch Materie / Detektoren 2. 1. Bremsvermögen/Bethe-Bloch 2. 2. Compton-Streuung 2. 3. Paarbildung 2. 4. Szintillationszähler 2. 5. Cerenkov-Zähler 3. Bindungsenergien / Bethe-Weizsäcker Formel 3. 1. Fermi-Gas Modell 3. 2. Tröpfchenmodell und Massenformel 3. 3. Schalenmodell 3. 4. Isospin und starke Wechselwirkung 34

4. Kernzerfälle 4. 1. Aktivitäten und Datierungsmethoden 4. 2. a-Zerfall nach Gamov 4. 3. Kernspaltung 4. 4. Elektromagnetische Übergänge/ g-Zerfall 4. 5. b-Zerfall nach Fermi 4. 6. Paritätsverletzung 5. Neutrinos 5. 1. Helizität 5. 2. Neutrinomasse 5. 3. Neutrino-Oszillationen 6. Grundzüge der Elementarteilchenphysik/Standardmodell 6. 1. Leptonen und Quarks 6. 2. Mesonen und Baryonen 6. 3. Wechselwirkungen 6. 4. Jenseits des Standardmodells 35

Wichtige Experimente 1. 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. Mösbauereffekt 9. Paritätsverletzung im b-Zerfall (Wu/Frauenfelder) 10. p-m 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) 36

1. 1. Rutherford Streuung 37

Drehimpulserhaltung, Kraftstoss wobei Merke: 38

Quantenmechanische Herleitung 39

Also ist der Wirkungsquerschnitt 40

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 41

1. 2. Born'sche Näherung Nur geringe Streuung – Approximation der gestreuten durch die einfallende Welle 42

Vergleich zur Optik Streulänge "Wirkungsquerschnitt" 43

Rutherfordstreuung à la QM 44

Quanteneffekte bei Ununterscheidbarkeit der Teilchen Bromley Kuehner und Almqvist, Phys. Rev. 123, 878 (1961) 45

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 46

1. 3. Formfaktoren der Kerne Was passiert, wenn der Streuer eine innere Struktur hat? Matrixelement wird: 47

Das ist eine Faltung des Potentials mit der Dichte Oder in Bornscher Näherung Ist der Formfaktor 48

Bei kleinem q (bzw. Winkeln) Guinier. Gesetz in der Optik 49

Formfaktor einer Kugel 50

oder graphisch 51

Einige Beispiele 52

53

e-Streuung an C 12 54

Ladungsdichten verschiedener Kerne 55

56

e-p Streuung (Hofstadter) 57

Formfaktoren der Nukleonen 58

Messung von Streuung hochenergetischer e- 59

Ergibt nahezu konstanten Formfaktor 60

Zusammenfassung Kapitel 1 Streuexperimente 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 61