Gliederung. 1 Grundkonzepte 1.1 Quarks, Leptonen 1.2 Wechselwirkungen 1.3 Symmetrien 1.4 Einheiten, Größenordnungen. Lernziele:

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1 1 Grundkonzepte 1.1 Quarks, Leptonen 1.2 Wechselwirkungen 1.3 Symmetrien 1.4 Einheiten, Größenordnungen - fundamentale Teilchen vs zusammengesetzte Teilchen - Austauschbosonen - Reichweite der Wechselwirkungen - Parität, Ladungskonjugation - typ. Längen, Zeiten, Energien, Massen

2 2 Kerne: allgemeine Eigenschaften 2.1 Atomkern: Rutherfordstreuung - Rutherfordstreuung - dσ: Abhängigkeit von Ladung, Energie, Streuwinkel, Impulsübertrag

3 2 Kerne: allgemeine Eigenschaften 2.2 Nuklide 2.3 Bindungsenergie - Entdeckung von p, n im Kern - Isobare, Isotope, Isotone - Messung der Kernmasse, -ladung - Bindungsenergie / Nukleon: empirischer Verlauf - Tröpfchenmodell: Idee - quantitativ: 5 Terme - gg-, ug-, uu-kerne

4 2 Kerne: allgemeine Eigenschaften 2.4 Fermigasmodell 2.5 Schalenmodell - Fermienergie = 33 MeV, unabh. von A - Fermiimpuls = 0.25 Mc, unabh. von A - Potentialtiefe = 40 MeV, unabh von A - quantitative Deutung von Volum-, Asymmetrieterm - magische Zahlen

5 2 Kerne: allgemeine Eigenschaften 2.5 Schalenmodell 2.6 Magnetisches Moment - magische Zahlen im Radialpotential - Spin-Bahn-Kopplung, Aufspaltung, Multiplizitäten, Vorzeichen - Intruderzustände, Erzeugung neuer Schalenabschlüsse - Ein-Teilchen-, Ein-Loch-Zustände - magnetisches Moment des p, n - magnetisches Moment der gg-, ug-kerne - Schmidt-Linien - Messung: Kernresonanz - Hyperfeinstruktur - Anwendung: NMR, Kernspintomografie

6 2 Kerne: allgemeine Eigenschaften 2.7 Quadrupolmoment 2.8 Isospin - reduziertes Quadrupolmoment - Deformationsparameter - Einfluss auf Hyperfeinstruktur - Isospin des Nukleons - Zweinukleonensystem - Spiegelkerne - Analogzustände

7 3 Stabilität der Kerne 3.1 beta-zerfall 3.2 Lebensdauern 3.3 alpha-zerfall - Massenparabel - beta+ vs beta- Zerfall - Elektroneneinfang - Aktivität - Lebensdauer, Halbwertszeit - radioaktive Altersbestimmung - Beispiel 14C - Beispiel 40K - schwerste stabile Nuklide - Zerfallsreihen

8 3 Stabilität der Kerne 3.3 alpha-zerfall 3.4 gamma-strahlung EXKURS: Nuklidtabelle - Gamowfaktor - Geiger-Nuttall-Regel - Energien der alpha-teilchen, Lebensdauer der Kerne - Protonenemitter - Multipolarität - Lebensdauer angeregter Kerne, Isomere - innere Konversion - Linienbreite - Nuklidtabellen

9 EXKURS: Beschleuniger - Funktionsprinzipien der Beschleuniger: Elektrostatische Beschleuniger van de Graaff Tandem Linearbeschleuniger Zyklotron Synchrotron Speicherringe Betatron - Vorteil von colliding beam gegen fixed target Experimenten

10 EXKURS: Wechselwirkung von Strahlung mit Materie - Bohr-Formel - Bethe-Bloch-Formel - Bragg-Peak - Bremsstrahlung, Photoeffekt, Comptoneffekt, Paarerzeugung - Cerenkov-Strahlung - Zusammenhang Reichweite - Energieverlust

11 EXKURS: Detektoren EXKURS: Strahlenwirkung, -belastung - Gasgefüllte Ionisationsdetektoren: Funkenkammer, Proportionalzählrohr, Geiger-Müller-Zähler - Halbleiterdetektoren, Szintillationsdetektoren - Spurdetektoren: Nebelkammer, Blasenkammer, Driftkammer - Cerenkov-Detektor - Strahlendosis: Aktivität, Ionendosis, Energiedosis, Äquivalentdosis - Einheiten: Gray, Sievert - letale Dosis - Strahlenwirkung: Physikalische, chemische, biologische Schädigung - Strahlenbelastung: natürlich, zivilisatorisch

12 3 Stabilität der Kerne 3.5 Spaltung - Erklärung im Tröpfchenmodell - Spaltbarriere - spontane - induzierte Spaltung - 235U 238U - Spaltprodukte - Energiefreisetzung

13 3 Stabilität der Kerne 3.6 Spaltungsreaktoren 3.7 Fusion - Wirkungsquerschnitte für Einfang und Spaltung - Moderatoren - Kritikalität: 4-Faktoren-Formel - Steuerung: Regelstäbe, verzögerte Neutronen - Zykluszeit, Reaktorperiode - Druckwasserreaktor, Forschungsreaktor - Brutreaktor - Coulomb-Barriere - Fusionsreaktoren: magnetischer Einschluss, Trägheitsfusion - Lawson-Kriterium

14 3 Stabilität der Kerne 3.7 Fusion 3.8 Nukleosynthese 4 Streuung 4.1 Ortsauflösung 4.2 Luminosität - Sonnenenergie: pp-zyklus, Neutrinoenergien - Elemententstheung im Urknall, bei Fusionsprozesse in Sternen bei Neutroneneinfang in Sternen und Supernovae - s-, r-prozesse - Herstellung der Transurane: Brut-, Fusionsprozesse, Lebensdauern, Nachweis - Energie-Impuls-Beziehung - nötige Energien für Ortsauflösung von 1 fm, 1 am - Luminosität

15 4 Streuung 4.3 Fermis Goldene Regel 5 Geometrische Gestalt der Kerne 5.1 Elektronenstreuung an Kernen 5.2 Formfaktoren der Kerne 5.3 Mottstreuung 5.4 Inelastische Kernanregungen - Streuquerschnitte: Matrixelement, Phasenraumfaktor - Goldene Regel: Beispiel der Rutherfordstreuung - Formfaktor und Ladungsverteilung - mittlerer quadratischer Ladungsradius - Systematik der Kernradien, Nukleonendichte, Hautdicke - Helizität - Mottstreuung: Unterdrückung der Rückwärtsstreuung - Messung von Kernanregungen

16 6 Elastische Streuung am Nukleon 6.1 Formfaktoren des Nukleons 6.2 Ladungsradius des π, K 6.3 Quasielastische Streuung 7 Tiefinelastische Streuung 7.1 Angeregte Nukleonzustände - Dirac-Streuquerschnitt - Rosenbluth-Formel - Deutung der Formfaktoen im Quarkbild - Verschiebung des Mittelwertes, Verbreiterung bei quasielastischer Streuung - invariante Masse - Deutung angeregter Nukleonzustände im Quarkbild

17 7 Tiefinelastische Streuung 7.2 Strukturfunktionen 7.3 Interpretation der Strukturfunktionen 8 Quarks, Gluonen, QCD 8.1 Quarkstruktur des Nukleon - Bjorkens Skalierungsparameter - Bjorken scaling der Strukturfunktionen - Callan-Gross Beziehung - Partonmodell - Seequarks, Konstituentenquarks - Ladungszuordnung der Quarks - Hinweis auf Gluonen aus dem Gesamtimpulsanteil der Quarks

18 8 Quarks, Gluonen, QCD 8.2 Quarks in Hadronen 8.3 Quark-Gluon-Wechselwirkung 9 Teilchenerzeugung in e + e - -Kollisionen 9.1 Erzeugung von Leptonpaaren 9.2 Resonanzen - Farbladung: Hadronen sind farbneutral - running coupling constant - confinement - asymptotic freedom - Gitter-QCD: Berechnung der Hadronmassen - µ-, τ-lepton, Entdeckung des τ - Resonanzen, Entdeckung des J/ψ, Υ - s-, c-, b-, t-quarks

19 9 Teilchenerzeugung in e + e - -Kollisionen 9.3 Nichtresonante Hadronerzeugung 9.4 Gluonabstrahlung 10 Schwache Wechselwirkung: Phänomenologie 10.1 Leptonfamilien - Breit-Wigner-Resonanz - 6 Quarkflavors: Ladungen, Massen - Querschnitt für Hadronerzeugung: Hinweis auf Farbe und Quarkladungen - 3-Jet-Ereignisse: Hinweis auf Gluonspin, α strong (Q 2 ) - 3 Leptonfamilien 3 Leptonenzahlen - Massen, Lebensdauern der 6 Leptonen - Experimentelle Hinweise auf Existenz der 3 (Anti-) Neutrinos: Cowan & Reines, Davis, Danby et al

20 10 Schwache Wechselwirkung: Phänomenologie 10.2 Typen der schwachen Wechselwirkung 10.3 Koppungskonstante der schwachen Wechselwirkung 10.4 Quarkfamilien - geladene und neutrale Ströme : W- und Z-Boson - rein leptonische, semileptonische und nichtleptonische Prozesse - Fermikonstante und ihre Messung - Lebensdauern: Phasenraumfaktor im 3-Teilchenzerfall - Sargent-Regel, Beispiel des τ-zerfalls - Energiespektrum des e - im Betazerfall: Bestimmung der ν-masse - Cabibbo-Winkel - CKM-Matrix

21 10 Schwache Wechselwirkung: Phänomenologie 10.4 EXKURS: Neutrino-Oszillationen - Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung vs Masse-Eigenzustände - Quellen für (Anti-) Neutrinos - Superkamiokande Sonnenneutrinoproblem - Sudbury SNO-Experiment 2002: Lösung

22 10 Schwache Wechselwirkung: Phänomenologie 10.5 Paritätsverletzung 11 Austauschbosonen der schwachen Wechselwirkung 11.1 Reelle W, Z 11.2 Elektroschwache Vereinheitlichung - schwache Wechselwirkung verletzt Parität - Experimente: e - aus β Zerfall, π -Zerfall, Wu-Experiment - Entdeckung des W, Massemessung - Zerfälle des W: Universalität - Entdeckung des Z - schwacher Isospin - Weinbergwinkel - Zerfälle des Z: Bestätigung der elektoschwachen Theorie - Existenz von nur 3 (Lepton)-Familien - Higgs-Teilchen

23 12 Standardmodell 13 Quarkonia 13.1 Positronium 13.2 Charmonium 13.3 Quark-Antiquark-Potential 13.4 Farbmagnetische Wechselwirkung 13.5 Bottonium - 12 fundamentale Teilchen - 18 freie Parameter - Spektrum des Positroniums - Spektrum des Charmonium, Bottonium: Crystal Ball Detektor - Quark-Quark-Potential: 1-Gluon-Austausch, string tension - Farbmagnetische Wechselwirkung: Energiedifferenz zwischen Singulett- und Triplettzuständen

24 14 Mesonen aus u, d, s 14.1 Mesonenmultipletts 14.2 Massen 14.3 Zerfälle 14.4 Die neutralen Kaonen 15 Baryonen aus u, d, s 15.1 Nomenklatur 15.2 Baryonenmultipletts - Isospin und Strangeness - Pseudoskalare und Vektormesonen - Massenformel - die langlebigen Mesonen - Hyperonen, Nukleon und Delta, Σ und Ξ - Antisymmetrie der Wellenfunktion des Baryon - Dekuplett

25 15 Baryonen aus u, d, s 15.2 Baryonenmultipletts 15.3 Massen 15.4 Magnetische Momente EXKURS: Hyperkerne - Oktett - Quark-Wellenfunktion des Protons - Massenformel - Zerfälle, Lebensdauern der Hyperonen - magnetische Momente im Quarkmodell - Produktion von Hyperkernen - die Energieniveaus des Λ 0 im Kern

26 16 Kernkraft 16.1 N-N Streuung 16.2 Deuteron 17 Nukleare Festkörperphysik - s-streuung - Streuphasen - Ergebnisse für N-N Potential - Potentialansatz - Tensorkraft, Spin-Bahn-Wechselwirkung - gebundene N-N Systeme - Bindungsenergie des Deuteron: Hinweise auf Potential - Quadrupolmoment, magnet. Dipolmoment: Hinweis auf Tensorkraft - Yukawa-Potential: Mesonenaustauschmodell - inelastische n-streuung - NMR - RBS: Rutherfordbackscattering

27 17 Nukleare Festkörperphysik - NRA: Nuclear Reaction Analysis - PAS: e + -Vernichtung - µsr: Myon Spin Rotation - Mößbauereffekt - (PAC: Perturbed Angular Correlation)