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4.3.6. Entdeckung des Neutrinos ( Reines, Cowan, 1959 ) -Zerfall:
Umkehrung ( Kernreaktor ): nachzuweisen Fermi-Theorie: Freie Weglänge: Experimenteller Ausweg: Extrem hoher Neutrinofluss an Kernreaktoren realisierbar: O( 1018 s ) Realisierung: Target aus H2O Cd Cl2
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e-Nachweis: Abstoppung ( 1cm, t 1010 s ) e e
2 zeitgleiche 511 keV Gammaquanten, back-to-back Nachweis in Flüssigszintillator ( Compton-, Photoeffekt ) n-Nachweis: Vielfachstreuung mit Protonen ( in H2O ) Thermalisierung nach t 106 s Einfang: n 114Cd 115Cd 115Cd i ( 9,1 MeV ) Zeitverzögertes 9,1 MeV -Signal im Szintillator
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4.3.7.3. Das Experiment von Wu ( 1957 )
( Erster Nachweis der Paritätsverletzung im -Zerfall ) -Zerfall H (e) 0 , H ( e ) 0 Messgröße: ist Pseudoskalar: P Wenn die Parität erhalten wäre, müssten beide Zähler die gleiche Rate messen Anfangszustand P-symmetrisch (Eigenzustand zu P) A 0 Verletzung der Paritätssymmetrie
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P -Zerfall im Wu-Experiment: 4 2 0 5 0,01% mI 5 mI 4
0,314 MeV 1,173 MeV 1,332 MeV mI 5 P mI 4 m ½ e-Nachweis: Anthrazen-Szintillator Zähler e-Vorzugs-Flugrichtung Paritätsverletzung Vorzugs-Richtung (1,173 MeV) -Nachweis: Na J-Szintillator gute Energieauflösung -Winkelverteilung Grad der Probenpolarisation
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Asymmetrie bzgl. Umpolung des Magnetfeldes
Erzeugung der Kernpolarisierung: T 0K im Magnetfeld, adiabatische Entmagnetisierung eines paramagnetischen Salzes (Ce Mg-Nitrat), beschichtet mit 0,005 cm 60Co Asymmetrie bzgl. Umpolung des Magnetfeldes Genauere Analyse: H (e) vc für erlaubte -Zerfälle Eigentümlich: P , He.m. P , Hstark aber P , Hschwach
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4.4. Kernmodelle 4.4.1. Übersicht
Kern: Kompliziertes Vielteilchensystem Bindung: He.m. Hstark Zerfall: He.m. Hstark Hschwach Statische Kernstruktur ( He.m. Hstark ): Grundzustand: Tröpfchenmodell (s.o.) beschreibt Bindungsenergie Spektrum der angeregten Zustände: b1) Fermigas-Modell Wechselwirkungsfreies Gas zweier Fermionsorten (p,n) im Kastenpotential bei Temperatur T 0 K Qualitative (nicht quantitative) Erklärung der Energieniveaus Kernradius RK Potentialtiefe V0 (s.u.)
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Dichte der Energiezustände (vgl. Festkörperphysik, Elektronengas)
Fermigas-Modell Dichte der Energiezustände (vgl. Festkörperphysik, Elektronengas) voll besetzt m m(Nukleon) besetzt mit je zwei Protonen ( ) und zwei Neutronen ( ) bis zur Fermikante EF EF E Gesamtzahl der Nukleonen pro Sorte:
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E V(r) V0 EF r RK EB Nukleon 8 MeV V0 ≳ EF 8 MeV 40 MeV
für stabile Kerne r RK E EF V0 V(r) EB Nukleon Protonen Neutronen
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-Stabilität EF|p EF|n
Coulomb-Korrektur Vp Vn Np Nn
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Konsequenz: Asymmetrieterm ( Tröpfchenmodell ) ableitbar
Zimmertemperatur kBT 0,025 eV ≪ EF 30 MeV TKern 0 K sehr gute gerechtfertigt Anpassung der Niveaufolge an Beobachtung erfordert realistische Potentialverläufe ( andere Effekte Schalenmodell ) b2) Einteilchen-Schalenmodell (s.u.) Wellenfunktion eines Nukleons im effektiven Potential des Rumpfkerns & Sin-Bahn-Kopplung & Spin-Spin-Kopplung b3) Kollektivmodell Abweichung von Kugelform Vibrations- und Rotationszustände Behandlung mehrerer Nukleonen oberhalb gefüllter Schalen
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Magische Zahlen Atomphysik: Hauptquantenzahl n abgeschlossene Schalen Pauli-Prinzip n 1 2 Elektronen K-Schale n 2 8 Elektronen L-Schale n 3 18 Elektronen M-Schale Konsequenzen: Stabilität gefüllter (Unter-)Schalen, Atomvolumina, Bindungsenergien, Chemische Aktivität, Periodensystem Stabile Kernkonfigurationen beobachtet bei Magischen Zahlen: Große Separationsenergie des letzten Nukleons bei: N, Z 2 , 8 , 20 , 28 , 50 , 82 , 126 N, Z gerade und I 0 Paare bzw Paare
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WQ für Neutronen-Einfang extrem klein bei
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Besonders viele Isotope und Isotone bei N , Z 50, 82, 126
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Kerne mit magischen Z häufig in Natur (kosmische Strahlung, ...)
Magische Zahlen sichtbar in Umwandlungsenergien (-, -Zerfälle, Kernreaktionen)
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Modell: (Goeppert-Mayer, Jensen & Haxel & Suess, 1948)
Analogon: Einteilchenmodell der Atomhülle (Hatree-Fock-Methode) Bewegung im mittleren Potential der übrigen Elektronen Coulombfeld des Atomkerns Kern: Vij nur phänomenologisch parametrisierbar (Kernkraft) Vij nicht klein es gibt keinen festen Ursprung nur Relativkoordinaten
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p n 4.4.4. Vergleich mit experimentellen Befunden
Regeln des Schalenmodells: Besetze unterste freien Niveaus; beachte dabei das Pauli-Verbot Sättige die Spins ab (Paarungsenergie) Erfolge: Magische Zahlen abgeschlossene Schalen & große Energielücke Niveauschema : p n Grundzustände: ✓ Erste Anregung: ✓
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Sehr gute Vorhersagen für doppelt-magische Rumpfkerne:
( 28 p ) ( 28 n ) 1 Leuchtnukleon ( n ) magisch ( 82 p ) ( 126 n ) 1 Leuchtnukleon ( n ) magisch Erfolgreiche Vorhersage von Ladungsverteilungen: ( 20 p ) ( 20 n ) doppelt magisch 19 p ( 20 n ) ≙ & Loch-Nukleon ( „p“, Ladung e ) Differenz der Nukeondichten der beiden Kerne |W.F.|2 des fehlenden Protons in Schale ✓ Rumpf & Leuchtnukeon nicht-sphärische Kerne magnetische Diplol- und Quadrupolmomente Quantitativ korrekte Vorhersage durchs Schalenmodell ✓
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Polarisator / Analysator
Niveaus sind sehr nah zusammen und I 4 Vorhersage der Kernisomerie (hoher Multipolübergang mit extrem langer Lebensdauer) ✓ Direkte Messung der LS-Kopplung in Doppelstreu-Experiment 1 ℓ ≃ 1 Polarisator Analysator 2 Detektor Proton E He L „up“ S „up“ S „down“ Polarisator / Analysator Resultat: L „up“ S „down“ CLS 0 1 , 2 ( Q2 ) kontrollierte Eindringtiefe VLS(r)
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