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MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne 13.4.Einführung, Beschleuniger 20.4.Schwerionenreaktionen, Synthese.

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1 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne 13.4.Einführung, Beschleuniger 20.4.Schwerionenreaktionen, Synthese superschwerer Kerne (SHE) 27.4.Kernspaltung und Produktion neutronenreicher Kerne 4.5.Fragmentation zur Erzeugung exotischer Kerne 11.5.Halo-Kerne, gebundener Betazerfall, 2-Protonenzerfall 18.5.Wechselwirkung mit Materie, Detektoren 25.5.Schalenmodell 1.6.Restwechselwirkung, Seniority 8.6.Tutorium Tutorium Vibrator, Rotator, Symmetrien 29.6.Schalenstruktur fernab der Stabilität 6.7.Tutorium Klausur

2 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von Strahlung und Materie geladene Teilchenneutrale Teilchen Ionisation (dominanter Prozess) Absorption (Photoeffekt) Streuung (Comptoneffekt) Kaskade (Paarerzeugung) definierte Reichweite (α, β) exponentielle Abschwächung (γ) keine definierte Reichweite

3 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Absorption von γ -Strahlung Intensität von Röntgen- und γ-Strahlung wird beim Durchgang durch Materie abgeschwächt: Abschwächungskoeffizient μ [cm -1 ] und Massenabsorptionskoeffizient μ/ρ [cm 2 /g]. Der Schwächungskoeffizient hängt sowohl vom Material, also von der Ordnungszahl der Elemente, als auch von der Photonenenergie ab.

4 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Photoeffekt: - Gammaquant wird absorbiert - Elektron wird aus Atom herausgeschlagen Compton Effekt: - Gammaquant streut an einem (freien) Elektron - Gammaquant mit niedriger Energie - Elektron Paarbildung: - Photon hoher Energie (> MeV) kann sich in der Nähe von Atom- kernen in ein Elektron-Positron Paar umwandeln - Positron = Antiteilchen des Elektrons: zerstrahlt in Materie

5 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Photoeffekt: Absorption eines Photons durch ein gebundenes Elektron und Konvertierung der γ-Energie in potentielle und kinetische Energie des Elektrons. (Atomkern sorgt für Impulserhaltung.)

6 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron, wobei das γ-Quant nicht vernichtet, sondern lediglich seine Energie geringer bzw. seine Wellenlänge größer wird: λ > λ. Maximale Energie des gestreuten Elektrons: Energie des gestreuten Gamma-Photons: Lücke zwischen Energei des einfallenden Photons und der maximalen Elektronenenergie.

7 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron, wobei das γ-Quant nicht vernichtet, sondern lediglich seine Energie geringer bzw. seine Wellenlänge größer wird: λ > λ. σ Compton

8 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Compton Effekt: Streuung eines γs an einem ungebundenen Elektron. Klein-Nishina-Formel: Vorwärtsstreuung für hochenergetische Photonen, symmetrisch um 90 0 für niederenergetische Photonen. Winkelverteilung: Intensität als Funktion von θ: MeV r 0 =2.818 fm

9 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie Paarbildung: Falls E γ doppelt so groß ist wie die Ruhemasse eines Elektrons, dann kann im Feld eines Atoms ein Elektron zusammen mit seinem Antiteilchen (Positron) gebildet werden. Paarbildung für E γ >2m e c 2 =1.022MeV γ-Quant > 1 MeV Magnetfeld γsγs e-e- Blasenkammerbild

10 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Energieabh ängigkeit der Abschwächung Alle drei Effekte (Photo-, Compton- und Paarbildung) führen zur Abschwächung eines γ- bzw. Röntgenstrahls beim Durchgang durch Materie. Der jeweilige Beitrag hängt von der Photonenenergie ab: Durch Absorption wird die Intensität geschwächt, die Energie und Frequenz der γ- bzw. Röntgenstrahlung bleibt erhalten!

11 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Gamma Spektrum nach radioaktiven Zerfall γ1γ1 γ2γ2 CE γ 2 SE γ 2 DE γ keV BSc Pb X-ray γ1+γ2γ1+γ2 Pb-Box

12 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von γ -Strahlung mit Materie totaler Absorptionskoeffizient: μ/ρ [cm 2 /g]

13 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Massenabsorptionsgesetz für Röntgenstrahlung Für den Röntgenbereich ist der Photoeffekt am wichtigsten. Blei absorbiert mehr als Beryllium! 82 Pb dient zur Abschirmung von Röntgen und γ-Strahlung; Bleiwesten wird vom Personal, das Umgang mit Röntgenstrahlen hat, getragen. Co-Quellen werden in dicken Blei-Kanistern transportiert. Im Gegensatz dazu: 4 Be wird häufig als Fenster in Röntgenröhren für den Durchgang von Röntgenstrahlen benutzt

14 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Massenabsorptionsgesetz μ/ρ für Röntgenstrahlung

15 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Röntgenaufnahme durch Schattenbildung bzw Absorption Knochen absorbieren mehr Strahlung als Gewebe wegen ihres hohen 20 Ca Gehaltes

16 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012

17 Wechselwirkung von α -Strahlung mit Materie α-Strahlen sind hochionisierend und verlieren sehr schnell ihre Energie beim Durchgang durch Materie durch Ionisation und Anregungen. Mittlere Reichweite von α-Teilchen mit 5 MeV 3.5cm in Luft, 23mm in Al, 43mm in Gewebe maximaler Energieübertrag T max an ruhendes Elektron mit m e durch ein einlaufendes Teilchen mit Ruhemasse m und Geschwindigkeit β: für alle schweren Primärteilchen außer Elektronen und Positronen

18 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie Bethe-Bloch Formel beschreibt den Energieverlust schwerer Teilchen auf ihrem Weg durch Materie N a : Avogadro Konstante 6.02·10 23 mol -1 r e : klass. Elektronenradius 2.81· cm m e : Elektronenmasse ρ : Dichte abs. Materie Z : Ladungszahl abs. Materials A : Atomgewicht abs. Materials z : Ladung einlaufendes Teilchen W max : max. Energietransfer in Einzelkollision I : mittleres Ionisationspotenzial bei kleinem β ist der Term 1/β 2 dominant dE/dx hat ein Minimum bei β·γ ~ 3-4 (minimal ionisierende Teilchen) bei hohen Impulsen erreicht dE/dx ein Plateau (Sättigung)

19 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung geladener Teilchen mit Materie Bethe-Bloch Formel beschreibt den Energieverlust schwerer Teilchen auf ihrem Weg durch Materie der Energieverlust eines Teilchens ist unabhängig von seiner Masse! der Energieverlust ist ein wichtiges Mittel zur Teilchenidentifikation für minimum ionizing particles m.i.p. gilt dE/dx ~ 2 MeV g -1 cm 2 d.h. bei einer Targetdichte ρ = 1 g/cm 3 dEdx ~ 2 MeV/cm bei kleinem β ist der Term 1/β 2 dominant dE/dx hat ein Minimum bei β·γ ~ 3-4 (minimal ionisierende Teilchen) bei hohen Impulsen erreicht dE/dx ein Plateau (Sättigung)

20 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Energieverlust und Reichweite geladener Teilchen -dE/dε ist fast unabhängig vom Material für gleiche Teilchen - mittlere Reichweite für Teilchen mit kin. Energie T erhält man aus Integration: MeV Alphas in Luft: - Reichweite ist nicht exakt sondern verschmiert range straggling, da die Anzahl der Wechselwirkungen eine statistische Verteilung ist. 7.7 MeV α´s in Luft

21 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012

22 Wechselwirkung von β -Strahlung mit Materie β-Teilchen wirken ebenfalls ionisierend, ähnlich wie α-Strahlen. Da die Masse der Elektronen und Positronen aber sehr klein ist, ist der Energieübertrag pro Stoß gering und die Reichweite entsprechend groß. Ähnlich wie bei Röntgenstrahlen gibt es zunächst nur eine Abschwächung, die bei größeren Schichtdicken in eine maximale Reichweite mündet.

23 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Wechselwirkung von β -Strahlung mit Materie Ähnlich wie β - -Strahlen werden auch β + -Strahlen auf ihrem Weg durch Materie abgeschwächt und wirken dabei ionisierend. Am Ende der Abschwächung steht allerdings die Paarvernichtung zusammen mit einem Elektron, die sehr energetische γ-Emission zur Folge hat. Positronen sind daher gefährlicher als Elektronen.

24 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Vergleich von Elektron ( β - ) und Positron ( β + ) auf ihrem Weg durch Materie

25 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Energieverlust für Elektronen und Positronen e ± haben eine Sonderstellung durch ihre geringe Masse. Sie werden bei einer Kollision signifikant abgelenkt. Zusätzlich zum Energieverlust durch Ionisation hat noch der Energieverlust durch Bremsstrahlung maßgebliche Bedeutung. Für hohe Energien ist der Energie- verlust durch Bremsstahlung

26 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Typische Reichweiten von radioaktiver Strahlung in Luft Reichweite von 5.5 MeV α-Teilchen ca. 4.2cm in Luft. Reichweite von Röntgen-, γ-Strahlen und Neutronen ist sehr groß. Hier hilft nur Abschirmung oder das 1/R 2 -Gesetz. Reichweite von 1 MeV β-Teilchen ca. 4m in Luft.

27 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Comptonstreuung: In welchem der folgenden Fälle verliert das Photon (E γ = 1 MeV) die meiste Energie? (a) Einfache Comptonstreuung mit θ = ? (b) Zweifache Comptonstreuung, jeweils mit θ = 90 0 ? (c) Dreifache Comptonstreuung, jeweils mit θ = 60 0 ? ´ (a)Eine θ=180 0 Comptonstreuung: (b)Zwei θ=90 0 Comptonstreuungen: (c)Drei θ=60 0 Comptonstreuungen:

28 MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne, SS-2012 Energieverlust und Bethe-Bloch-Gleichung: Vernachlässigt man die Dichte- und Schalenkorrektur, so gilt für die Bethe-Bloch Gleichung: Vergleichen Sie den Energieverlust von Elektronen, Pionen, Kaonen und Protonen der selben kinetischen Energie von 2 GeV beim Durchdringen eines Aluminiumabsorbers von 1cm Dicke. (m e =0.511 MeV/c 2, m π = MeV/c 2, m K = MeV/c 2, m p = MeV/c 2, A Al =26.98, Z Al =13, ρ=2.7 g/cm 3, I=16·Z 0.9 eV) particleT max (MeV)βγ2γ2 γΔE(MeV) e-e (1.567·10 7 ) · (9.71) π±π± K±K± p


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