Struktur der Materie II (L) Kern und Teilchenphysik

Transkript

1 Struktur der Materie II (L) Kern und Teilchenphysik Vorlesung für das Lehramt Physik Dr. Martin zur Nedden Humboldt-Universität zu Berlin, Institut für Physik Berlin, Wintersemester 2002/2003

2 Zusammenfassung Kern und Teilchenphysik, also die subatomare Physik, beschäftigt sich mit den Strukturen der Materie bei kleinsten Abständen. Die zentralen Fragen, die uns bewegen uns damit auseinanderzusetzen, sind dabei seit der Antike im Wesentlichen dieselben geblieben: was ist es, was die Welt im innersten zusammenhält? was ist und woraus besteht Materie? woraus besteht das Universum, wie ist es entstanden und kann man seine weitere Entwicklung vorherbestimmen? ist die makroskopische Vielfalt der Naturerscheinungen auf einfache, fundamentale Prinzipien zurückzuführen? Die Vorlesung Struktur der Materie II, Kern und Teilchenphysik für Lehramtskandidatinnen und Lehramtskandidaten beinhaltet eine Einführung in die Phänomene und Konzepte der Kernphysik, und gibt einen Einblick in die moderne Teilchenphysik. Im Teil über Kernphysik steht das Verständnis der technischen Anwendungen im Vordergund, in der Teilchenphysik sollen, neben dem notwendigen historischen Wissen, vorallem neueste Erkenntnisse und Konzepte besprochen werden. Die Vorlesung ist dabei historisch aufgebaut, die Phänomene und Konzepte werden in der Reihenfolge eingeführt und besprochen, in der sie entdeckt und entwickelt wurden.

3 1 Einführung Einheiten Relativistische Kinematik Masse Energie Beziehung, Kinetische Energie Vierervektoren und Lorentzinvarianz Quantenmechanische Beschreibung von Teilchen Drehimpulse und Spin Nicht relativistischer Bereich Relativistischer Bereich Relativistische Teilchen mit Spin: Dirac Gleichung Wirkungsquerschnitte und Zerfallsbreiten Differentieller Wirkungsquerschnitt, Beipiele Quantenmechanische Behandlung des Wirkungsquerschnittes Lebensdauern und Zerfallsbreiten Historischer Überblick 24 3 Experimentelle Methoden Wechselwirkungen von Teilchen mit Materie Ionisation Bremsstrahlung Wechselwirkung von Photonen mit Materie Beschleuniger Linearbeschleuniger Kreisbeschleuniger Speicherringe Detektoren Detektoren für geladene Teilchen Energiemessung Moderne Großdetektoren Eigenschaften stabiler Kerne Bindungszustände von Nukleonen Elastische Elektron Nukleon Streuung Kinematik der elastischen Elektron Proton Streuung

4 iii Rutherfordscher Wirkungsquerschnitt und Formfaktoren Der Rosenbluth Wirkungsquerschnitt Größe und Dichte von Kernen Kernmassen und Massendefekt Spin, Parität und magnetische Momente des Kerns Kernmodelle Tröpfchenmodell Fermigasmodell Schalenmodell Kernzerfälle Zerfallsgesetz Radioaktivität Natürliche Radioaktivität Anwendungen der Radioaktivität Dosimetrie Kernzerfälle α Zerfall β Zerfall γ Zerfall Anwendungen der Kernphysik Kernspaltung Der Spaltprozess Induzierte Kernspaltung Kernspaltungsreaktoren Brutreaktionen Spaltprodukte und nukleare Entsorgung Kernfusion Sonnenernergie Technische Nutzung der Kernfusion Erhaltungssätze und Symmetrien Symmetrien, Transformationen und Erhaltungssätze Klassische Transformationen Quantenmechanische Behandlung Drehungen Ganzzahlige Drehimpulse Halbzahlige Drehimpulse Erhaltungsgrößen Klassifikation von Symmetrien Die diskreten Symmetrien C, P, T und das CP T Theorem Parität Ladungskonjugation CP Invarianz

5 iv Zeitumkehrinvarianz und das CP T Theorem Starke Wechselwirkung und das Quarkmodell Nukleonen, Isospin Nukleon Nukleon Systeme Isospin Multiplets Streuung am Nukleon Farbladung und QCD Quantenchromodynamik: Kurze Erläuterungen Das SU(3) Modell der leichten Quarks Strangeness Eigenschaften der leichten Quarks Mesonen Multiplets Baryonen Multiplets Schwere Quarks: Charm Der Cabbibo Winkel und der GIM Mechanismus Die Entdeckung des Charm Quarks Charmonium Offener Charm Die dritte Fermionenfamilie Die Entdeckung des Tau Leptons Die dritte Quark Familie: Bottom und Top Überblick über die drei Fermion Familien Die Cabibbo Kobayashi Maskawa Matrix Innere Struktur der Hadronen Elastische Elektron Nukleon Streuung Tief inelastische Lepton Nukleon Streuung Kinematik und Wirkungsquerschnitt Strukturfunktionen, Partonmodell und Skaleninvarianz Verletzung der Skaleninvarianz und QCD Elektroschwache Wechselwirkung Überblick Strom Strom Wechselwirkung Strom Strom Kopplung in der QED Strom Strom Kopplung in der schwachen Wechselwirkung Die Lorentz Struktur der geladenen Ströme Glashow Salam Weinberg Theorie (GSW) Elektroschwache Vereinheitlichung Elektroschwache Struktur der Hadronen Das Standardmodell der Teilchenphysik Jenseits des Standardmodelles