Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)

Transkript

1 Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI) Günter Quast, Roger Wolf, Pablo Goldenzweig 06. Juni 2017 INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS (IEKP) PHYSICS FACULTY KIT University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 2/22 Kapitel 5.2: Alpha-, Beta-, Gammazerfall 2

3 3/22 -Zerfall: experimentelle Beobachtung Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall: In welchen Spin- & Drehimpulskonfigurationen ist dieser Zerfall möglich? 3

4 3/22 -Zerfall: experimentelle Beobachtung Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall: Kontinuierliches Energiespektrum des emittierten Elektrons: Bsp.: Tritium-Zerfall In welchen Spin- & Drehimpulskonfigurationen ist dieser Zerfall möglich? Nicht kompatibel mit Drehimpulserhaltung 4 Erwartung für Zweikörperzerfall: Linienspektrum

5 4/22 Wolfgang Paulis Neutrino-Hypothese 5 Postulat eines dritten Spin-½ Teilchens: an Zerfall beteiligt jedoch bisher undetektiert

6 5/22 -Zerfall: aus heutiger Sicht Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei Zugrunde liegender Prozess: Neutronzerfall im Kern (1) 6 (1) frei werdende kinetische Energie

7 6/22 -Zerfall: 7 Klassifikation der Zerfälle Zerfall eines Neutrons im Kern Austausch eines -Bosons ( schwache WW)

8 6/22 Klassifikation der Zerfälle -Zerfall: -Zerfall: Zerfall eines Neutrons im Kern Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern ( schwache WW) Austausch eines -Bosons ( schwache WW) 8 Falls energetisch möglich

9 6/22 Klassifikation der Zerfälle -Zerfall: -Zerfall: Zerfall eines Neutrons im Kern Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern ( schwache WW) Austausch eines -Bosons ( schwache WW) Inverser -Zerfall: (1) Falls energetisch möglich 9 Einfang eines durch ein Proton. Typische Nachweisreaktion für Neutrinos. Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt ( ) (1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten

10 6/22 Klassifikation der Zerfälle -Zerfall: -Zerfall: Inverser -Zerfall: Elektroneneinfang: Zerfall eines Neutrons im Kern Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern ( schwache WW) Austausch eines -Bosons ( schwache WW) (1) Falls energetisch möglich 10 Einfang eines durch ein Proton. Typische Nachweisreaktion für für Hüllenelektronen Neutrinos. (meist in K-Schale) Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt Auffüllen der Lücke Röntgen( ) photon oder Augerelektron (1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten

11 7/22 -Zerfall: -Zerfall: Klassifikation der Zerfälle Inverser -Zerfall: Elektroneneinfang: Zerfall eines Neutrons im Kern Zerfall eines Protons Austausch eines Außerdem bei Kernen: -Bosons im Kern ( schwache WW) (über-) erlaubte Übergänge ) Austausch eines ( -Bosons ( schwache WW) Ein- und mehrfach verbotene Übergänge ( ) energetisch möglich Falls 11 Zerfälle die den Kernspin unverändert lassen ( Fermi-Übergänge) Zerfälle die den Kernspin ändern ( Gamov-Teller-Übergänge) (1) Einfang eines durch ein Proton. Typische Nachweisreaktion für für Hüllenelektronen Neutrinos. (meist in K-Schale) Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt Auffüllen der Lücke Röntgen( ) photon oder Augerelektron (1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten

12 7/22 Neutrinonachweis 12 Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in Savannah River, USA (F. Reines, C. Cowan 1956) Nachweis der 511 kev PhotonKoinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrahlung aus Neutroneinfang)

13 7/22 Neutrinonachweis 13 Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in savannah River USA (F. Reines, C. Cowan 1956) Nachweis der 511 kev PhotonKoinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrahlung aus Neutroneinfang)

14 8/22 Isobarenzerfallskette 14 in Kernen zur Erinnerung: Tröpfchenmodell Coulomb- & Paarungs-Term (VL-10 Folie 17) Minimum der Parabel stabilstes Isotop uu-kerne weniger stabil als ggkerne zwei Parabeln (nur eine Parabel für ug/gu-kerne) Je nach Position relativ zu Tal der Stabilität sowohl also auch erlaubt

15 9/22 Doppelter -Zerfall 15 Wenn einfacher -Zerfall energetisch verboten doppelter -Zerfall Beispiel:

16 10/22 Doppelter -Zerfall (neutrinolos) Wenn Neutrino sein eigenes Antiteilchen (d.h. Majorana-Teilchen statt DiracTeilchen) doppelter -Zerfall ohne Neutrinos möglich Extrem selten, dafür klare Signatur: Heidelberg-Moskow, GERDA, COBRA, Beispiel: 16

17 11/22 -Zerfallkonstante (Matrixelement) Aus Fermi s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14) (W-Boson Propagator) (bei niedrigen Impulsüberträgen, ) In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern: 17 (vgl VL-09 Folie 27)

18 11/22 -Zerfallkonstante (Matrixelement) Aus Fermi s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14) (W-Boson Propagator) (bei niedrigen Impulsüberträgen, ) In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern: 18 (vgl VL-09 Folie 27) de-broglie-wellenlängen von Elektron und Neutrino viel größer als Kernradius ( Überlapp mit Wellenfunktion des gesamten Kerns)

19 12/22 -Zerfallkonstante (Phasenraumfaktor) Aus Fermi s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14) (1) mit 19 (1) Zweiköperphasenraum ( unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern) (Sargent-Regel)

20 12/22 -Zerfallkonstante (Phasenraumfaktor) Aus Fermi s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14) Sargent-Regel: (1) d.h. je größer die frei werdende kinetische Energie, desto schneller der Zerfall mit 20 (1) Zweiköperphasenraum ( unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern) (Sargent-Regel)

21 13/22 Messung von Exakte Vermessung von nahe bei Bsp.: Tritium-Zerfall aller Zerfälle (KATRIN-Spektrometer, MAC-E Filter) 21 (Sargent-Regel)

22 14/22 -Zerfall Änderung eines Kerns unter Aussendung eines -Teilchens, dabei Energiebilanz: Bsp.: 22 Zweikörperzerfall -Teilchen monoenergetisch ( ) Hohe Ionisation bei WW mit Materie Strahlung mit geringer Reichweite Nebelkammeraufnahmen

23 15/22 Natürliche -Zerfallsreihen Uranreihe 23 (1) Neptuniumreihe Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle (1) (1) gesamte frei werdende Energie

24 16/22 Natürliche -Zerfallsreihen Thoriumreihe 24 (1) Actiniumreihe Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle (1) (1) gesamte frei werdende Energie

25 17/22 Radioaktives Gleichgewicht In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein Mehr Mutterkerne mehr Zerfälle in Kern i Mehr Tochterkerne mehr Zerfälle in Kern i+1 Wieviel Th würden Sie in einem kg Uran erwarten? 25

26 17/22 Radioaktives Gleichgewicht In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein Mehr Mutterkerne mehr Zerfälle in Kern i Mehr Tochterkerne mehr Zerfälle in Kern i+1 Wieviel Th würden Sie in einem kg Uran erwarten? 26

27 18/22 Radioaktives Gleichgewicht In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein Mehr Mutterkerne mehr Zerfälle in Kern i 27 Aktivität Mehr Tochterkerne mehr Zerfälle in Kern i+1 Spezialfall: ein Zerfallsprodukt viel langlebiger als die anderen säkulares Gleichgewicht Aktivitäten der Tochernuklide nähern sich asymptotisch an Aktivität des Mutternuklids an (langsam) (schnell) (mittel) Zeit

28 19/22 -Zerfallkonstante Mit Hilfe des QM Tunneleffekts bestimmbar -Teilchen tunnelt durch Coulombwall Wahrscheinlichkeit Formierung eines -Teilchens im Kern Transmissionswahrscheinlichkeit, Tunneleffekt # Tunnelversuche/Zeit Beweis siehe nächste Folie 28

29 20/22 Gamow-Faktor Im folgenden vernachlässigt 29

30 21/22 -Zerfallkonstante und Geiger-Nuttal-Regel Zerfallskonstante: Halbwertszeit: (Geiger-Nuttel-Regel) 30

31 KW-25/26 KW-24 KW-23 KW-22 KW-21/22 22/22 31

32 Backup 32