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 C. Amsler: Kern- und Teilchenphysik, vdf 2007 T. Mayer-Kuckuk: Kernphysik, Teubner 1994

Geschichtlicher Abriss 1896 Radioaktivität Elektron

1899: Drei Arten von Strahlung

1902: Radioaktivität ist Kernumwandlung

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

1911: Entdeckung des Kerns

1919: Künstliche Kernumwandlung

1921: a-p Streuung – starke Wechselwirkung

1928: Erklärung der a-Strahlung als Tunneleffekt

1930: Neutrino wird postuliert

1932: Entdeckung des Neutrons

1932: Entdeckung des Positrons

1932: künstliche Kernspaltung E = mc2

1933: Erklärung des b-Zerfalls

1935: Teilchenaustausch zur Kraftübertragung

1936: Entdeckung des Müons

1936: Kernumwandlungen Transurane

1938: Spaltung schwerer Kerne

1942: Kernreaktor

1945: Atombombe

1946: Entdeckung des Pions

1948: C-14 Datierung

1955: Entdeckung des Antiprotons

1956: Nachweis des Neutrinos

1957: Paritätsverletzung

1958: Mössbauereffekt

1960er: Kernstruktur/ Partonen

1963: CP-Verletzung

1970er: Standardmodell

1983: Vektor-Bosonen der schwachen Wechselwirkung

1992: Nur drei Neutrinos/Familien

2000: Neutrino-oszillationen

Was wir behandeln werden

Inhaltsverzeichnis: 0. Geschichtlicher Abriss 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

4.3. Kernspaltung 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

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)

1.1. Rutherford Streuung

Drehimpulserhaltung, Kraftstoss wobei Merke:

Quantenmechanische Herleitung

Also ist der Wirkungsquerschnitt

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

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

Vergleich zur Optik Streulänge "Wirkungsquerschnitt"

Rutherfordstreuung à la QM

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

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

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

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

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

Formfaktor einer Kugel

oder graphisch

Einige Beispiele

e-Streuung an C12

Ladungsdichten verschiedener Kerne

e-p Streuung (Hofstadter)

Formfaktoren der Nukleonen

Messung von Streuung hochenergetischer e-

Ergibt nahezu konstanten Formfaktor

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