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1 C. Amsler: Kern- und Teilchenphysik, vdf 2007 Kern- und Teilchenphysik WS09/10 Christof Aegerter Vorlesung: Dienstag 10.15-11.45 Übungen: Peter Keim,

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1 1 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.html Literatur: H. Frauenfelder, E.M. Henley: Teilchen und Kerne, Oldenbourg 1999 T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner 1994

2 2 Geschichtlicher Abriss 1896 Radioaktivität Elektron

3 3 1899: Drei Arten von Strahlung

4 4 1902: Radioaktivität ist Kernumwandlung

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

6 6 1911: Entdeckung des Kerns

7 7 1919: Künstliche Kernumwandlung

8 8 1921:  -p Streuung – starke Wechselwirkung

9 9 1928: Erklärung der  - Strahlung als Tunneleffekt

10 10 1930: Neutrino wird postuliert

11 11 1932: Entdeckung des Neutrons

12 12 1932: Entdeckung des Positrons

13 13 1932: künstliche Kernspaltung E = mc 2

14 14 1933: Erklärung des  -Zerfalls

15 15 1935: Teilchenaustausch zur Kraftübertragung

16 16 1936: Entdeckung des Müons

17 17 1936: Kernumwandlungen Transurane

18 18 1938: Spaltung schwerer Kerne

19 19 1942: Kernreaktor

20 20 1945: Atombombe

21 21 1946: Entdeckung des Pions

22 22 1948: C-14 Datierung

23 23 1955: Entdeckung des Antiprotons

24 24 1956: Nachweis des Neutrinos

25 25 1957: Paritätsverletzung

26 26 1958: Mössbauereffekt

27 27 1960er: Kernstruktur/ Partonen

28 28 1963: CP-Verletzung

29 29 1970er: Standardmodell

30 30 1983: Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung

31 31 1992: Nur drei Neutrinos/Familien

32 32 2000: Neutrino-oszillationen

33 33 Was wir behandeln werden

34 34 Inhaltsverzeichnis: 0. Geschichtlicher Abriss 1.Streumethoden / Kerneigenschaften 1.1. Rutherfordstreuung 1.2. Born'sche Näherung 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

35 35 4. Kernzerfälle 4.1. Aktivitäten und Datierungsmethoden 4.2.  -Zerfall nach Gamov 4.3. Kernspaltung 4.4. Elektromagnetische Übergänge/  -Zerfall 4.5.  -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

36 36 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  -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)

37 37 1.1. Rutherford Streuung

38 38 Drehimpulserhaltung, Kraftstoss wobei Merke:

39 39 Quantenmechanische Herleitung

40 40 Also ist der Wirkungsquerschnitt

41 41 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

42 42 1.2. Born'sche Näherung Nur geringe Streuung – Approximation der gestreuten durch die einfallende Welle

43 43 Vergleich zur Optik Streulänge "Wirkungsquerschnitt"

44 44 Rutherfordstreuung à la QM

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

46 46 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

47 47 Was passiert, wenn der Streuer eine innere Struktur hat? 1.3. Formfaktoren der Kerne Matrixelement wird:

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

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

50 50 Formfaktor einer Kugel

51 51 oder graphisch

52 52 Einige Beispiele

53 53

54 54 e-Streuung an C12

55 55 Ladungsdichten verschiedener Kerne

56 56

57 57 e-p Streuung (Hofstadter)

58 58 Formfaktoren der Nukleonen

59 59 Messung von Streuung hochenergetischer e -

60 60 Ergibt nahezu konstanten Formfaktor

61 61 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


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