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Die Struktur der Materie im Überblick. Objekte sichtbar machen bloßes Auge: ~ 1mm Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ? Auge.

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Präsentation zum Thema: "Die Struktur der Materie im Überblick. Objekte sichtbar machen bloßes Auge: ~ 1mm Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ? Auge."—  Präsentation transkript:

1 Die Struktur der Materie im Überblick

2 Objekte sichtbar machen bloßes Auge: ~ 1mm Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ? Auge plus Lupe: ~1/10 mm 10 fach vergrößert Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer) 1000 fach vergrößert

3 Was heisst überhaupt sehen ? Sehen = Abbilden Wie kann man 0.001 µm sehen? Wichtig: Auflösungsvermögen Dazu nötig: 1.Größe der Projektile << Größe der Strukturen 2.Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweisdetektor

4 Unbekanntes Objekt in einer Höhle Projektil: Basketbälle

5 Projektil: Tennisbälle

6 Projektil: Murmeln...Nichts wie weg !

7 Objekte mit Wellen sichtbar machen

8 Verfügbare Wellenlängen eletromagnetische Wellen LW3000 m MW300 m KW30 m UKW3 m GPS0.3 m Infrarot10 -6 m Licht5 10 -7 m2 eV UV10 -7 m10 eV R öntgen Strahlung 10 -10 m10 4 eV γ -Strahlung10 -12 m10 6 eV

9 Erkenntnisse der Quantenphysik Entdeckung: Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft (Photoeffekt) Entdeckung: Teilchen haben Welleneigenschaft (Elektronenmikroskop)

10 Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung h e-e- e-e- e-e- e-e- h Elektron Energie E max = h - eU work Elektron Energie E e = h - E binding

11 Huygens: Welle Interferenz und Beugung z.B. Thomas Young Doppelspalt (1801)

12 He * inkohärent l = 0.47 Å Eintrittsschlitz 2mm Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau 1 m8 m angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss scharf sein Schlitze!! Atome als Wellen

13 Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm (!)Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei 0.25-0.5 eV) Punktförmig (< 0.001 fm) Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm (Wellenlänge) Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Punktförmig (< 0.001 fm) Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius) Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar Elektronen bei 20 keV Punktförmig (< 0.001 fm) (!) Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) ) Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fm Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)...

14 allgemeiner Zusammenhang: 1 eVf ür Auflösung 10 -6 m 1 keVf ür Auflösung 10 -9 m 1 MeVf ür Auflösung 10 -12 m 1 GeVf ür Auflösung 10 -15 m 1 TeVf ür Auflösung 10 -18 m Energie: 1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 10 19 Joule

15 Die Mikroskope der Teilchenphysiker: Beschleuniger ObjektGr ö ßeEnergie Kristall10 -6 m1 eV (Lichtmikroskop) Molek ül 10 -9 m1 keV=10 3 eV (Elektronenmikroskop) Atom10 -10 m10 keV=10 4 eV Atomkern10 -14 m100 MeV=10 8 eV Proton10 -15 m1 GeV=10 9 eV Quark/Elektron<10 -18 m1 TeV=10 12 eV 1 eV=1.6 10 -19 Joule

16 Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger Haben Sie auch daheim! Funktionsprinzip: Simulation Simulation Linearbeschleuniger: Fermilab, Chicago (in Betrieb) DESY, Hamburg (in Planung)

17 Die Struktur des Atoms 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: 100.000 fm harter Kern: 5 fm 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen umgeben von riesiger Elektronenhülle

18 Bausteine der Atomkerne

19 Das Quark-Gluon-Plasma

20

21 Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren Elektronische Bilder CERN, Genf, bis 2000

22 Suche nach Bausteinen der Materie Blasenkammeraufnahme

23 Zusammenfassung Bausteine Fundamentale Bausteine der Materie: –Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d –Alle punktförmig ( < 0.001 fm) Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen? Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft ?

24 Quarks, Bausteine der Hadronen NameLadungMasse in GeV/c 2 up2/30.005 down-1/30.01 charm2/31.5 strange-1/30.15 top2/3175 bottom-1/34.5 Proton 0.938 GeV/c 2 Meson 2 Quarks 1 eV=1.9 10 -19 Joule 1 eV/c 2 = 1.78 10 -36 kg 1 GeV/c 2 =10 9 eV/c 2

25 Der ß-Zerfall im Bild des Standardmodell

26 Die Leptonen NameLadungMasse in GeV/c 2 Elektron0.0005 Elektron Neutrino0? Myon0.1 Myon Neutrino0? Tau1.8 Tau Neutrino0? 1 eV=1.6 10 -19 Joule 1 eV/c 2 = 1.78 10 -36 kg 1 GeV/c 2 =10 9 eV/c 2

27 Antimaterie: Ein "Spiegelbild" der Materie


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