Messung der Magnetischen Momente von p und n. Hauptseminar WS 2006/2007 Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis 1975

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Thomas Wetzel
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1 Messung der Magnetischen Momente von p und n Hauptseminar WS 2006/2007 Bahnbrechende Experimente der Kern- und Teilchenphysik bis 1975 Till-Lucas Hoheisel

2 Inhalt: 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1.1Wasserstoff 1.2 Messung 2. Messung von µ-proton und µ-neutron über Kernresonanz 2.1 Kernresonanz 2.2 Strahlmethode, Flüssige Probe, Zyklotron 2.3 Messung des magnetischen Moments beim Neutron 4. Zusammenfassung 5. Quellenangaben

3 Kernmagneton Magnetisches Moment eines mit dem Bahndrehimpuls l=1 umlaufenden Teilchen, mit Ladung e und Masse des Protons k = e ħ 2 m p =5, J T Wäre Proton Punktförmig, S=½ Landé-Faktor wie Elektron =2, dann müsste Protonenmoment gleich groß sein, wie Kernmagneton. Messung zeigt etwas anderes...

4 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 Messung des magnetischen Dipolmomentes durch Ablenkung in einem inhomogenen Magnetfeld. F z = z H z

5 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 Messung an molekularem Wasserstoff H-H Kernspin s=1/2 => Ortho-H2 Gesamtspin der Kerne S=1 niedrigste Rotationsquantenzahl L=1 Para-H2 Gesamtspin der Kerne S=0 niedrigste Rotationsquantenzahl L=0 Normalbedingungen 25%Para- und 75%Ortho-H2 (0,08 kj/mol)

6 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 tiefe Temperaturen T=90K und starkes Magnetfeld: Aufspaltung des Ortho-Molekülstrahls in 9 Anteile Keine Aufspaltung bei Para-H2

7 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 Aufspaltung des Para-Molekülstrahls entsprechend Besetzung gerader Drehimpulszustände bei höheren Temperaturen. Für L=2 Aufspaltung in 5 Teilstrahlen daraus Berechnung des magnetischen Moments der Rotation L

8 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933

9 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933

10 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 Aufspaltung der Strahlen nicht in Linien sondern entsprechend Geschwindigkeitsverteilung des Strahls (Maxwell), Strahlzusammensetzung, Form und Breite verschmiert. => Berechnung der Strahlform für verschiedene Protonmomente und Vergleich mit gemessener Kurve

11 1. Erste Messung des mag. Moments des Protons durch R.Frisch und O. Stern 1933 Ergebnisse: Keine Angabe von Fehlergrenzen. Magnetisches Moment der Rotation ungefär 1 Kernmagneton... eher etwas kleiner Magnetisches Moment des Protons 2-3 Kernmagentonen. Dieser Zahlenwert ist nicht sehr genau; doch scheint ein Wert von der Größe 1 nicht mit der Messung vereinbar zu sein

12 2.1 Kernresonanz Im äußeren Magnetfeld kann sich magnetisches Moment in oder gegen die Feldrichtung einstellen Energieunterschied Besetzung entsprechend Temperatur (Boltzmann) Radiofrequenz E= H = m g k H f R = g k H h

13 Kernresonanz Rabi, Zacharias, Millmann und Kusch 1939 Messung an polarisierten Ionenstrahlen. Änderung der Intensität des Strahls am Detektor durch Umklappen der mag. Momente bei Einstrahlen der Resonanzfrequenz.

14 Kernresonanz The Nuclear Induktion Experiment 1946 F. Bloch, W.W. Hansen und M. Packard Wasserprobe in z-feld Leichte Modulation des z-feldes mit 60Hz Feste HF in x Richtung Im Resonanzfall HF in y-richtung

15 Kernresonanz The Nuclear Induktion Experiment 1946 F. Bloch, W.W. Hansen und M. Packard

16 Kernresonanz Präzisionsmessung mit Hilfe der Zyklotronfreuquenz 1955 H. Sommer, H.A.Thomas und J.A. Hipple Nur noch Frequenzmessung, keine Magnetfeldmessung mehr nötig. f C = e 0 H m p 2 k = e h 4 m f R = g p 0 k H h f R = g p 0 e h H m p 2 f C h 4 m p e 0 H = g p 2

17 Kernresonanz Präzisionsmessung mit Hilfe der Zyklotronfreuquenz 1955 H. Sommer, H.A.Thomas und J.A. Hipple

18 Kernresonanz Präzisionsmessung mit Hilfe der Zyklotronfreuquenz 1955 H. Sommer, H.A.Thomas und J.A. Hipple Kleine Amplitude der beschleunigenden HF, dadurch viele Umläufe und genaue Zyklotronfrequenz Anschließende Kernresonanzmessung im gleichen Magnetfeld (ohne Zyklotron) p = 2,79276±0,00006 k

19 Messung des mag. Moment des Neutron Neutron hat keine Ladung aber trotzdem magnetisches Moment. Deuteriumkern hat Gesamtspin 1 und kein Rotationsmoment. d =0,85735 k Vermutung n = d p 2 k

20 Messung des mag. Moment des Neutron Strahlverfahren nach s.o. (Rabi et al.) funktioniert nicht, weil Strahl zu schlecht The Magnetic Scattering of Neutrons Phillip M. Powers 1938 Messung des mag.moments des Neutrons durch L. W. Alvarez und F. Bloch 1939 Termische Neutronen durch Polarisator aus magnetisiertem Eisen Einstrahlen von HF-in stationäres Magnetfeld, dadurch Umklappen einiger Spinrichtungen Analysator aus magnetisiertem Eisen parallel zu Polarisator; Ein Teil der umgeklappten Neutronen wird nicht durchgelassen Zählung der Neutronen in Neutronendetektor Falls Radiofrequenz und Magnetfeld Kernresonanzbedingung erfüllen, Abschwächung des Neutronenstrahls

21 Messung des mag. Moment des Neutron

22 Messung des mag. Moment des Neutron Ergebnis n = 1,93±0,02 k d = p n

23 Zusammenfassung 1933 Teilchenstrahlmethode (Stern,Frisch): Feldgradient, Länge,Strahlbreite 1946 Kernresonanzmethode (Rabi,Millmann,Kusch,Zacharias),(Bloch,Hansen and Packard) : Magnetfeldstärke, Frequenz 1951 Zyklotron Methode (Sommer,Thomas,Hipple): Frequenz Neutronenmoment durch Polarisator und Analysator aus magnetisiertem Eisen Proton und Neutron keine Punktteilchen ( keine Dirac-Teilchen ) Drehimpulse im Kern lassen sich addieren. Kernresonanzmethode heute sehr effektiv. Weitere Versuche zur Struktur von Proton und Neutron.

24 Quellenangaben Klassische Experimente der Kern- und Teilchenphysik, Bodenstedt Über die magnetische Ablenkung des Wasserstoffmoleküls und das magnetische Moment des Protons. I. und II. Von R.Frisch und O.Stern Z.f.Physik 85,4 (1933) Estermann, Simpson and Stern, Phys.Rev.52,535(1937) Bloch Phys.Rev.70,460(1946) Bloch,Hansen and Packard, Phys.Rev.70,474(1946) Blomberger, Purcell and Pound, Phys.Rev. 73,679(1948) Rabi, Phys.Rev (1937) Alvarez, Bloch Phys.Rev. 57,111(1940) I.I.Rabi, S. Millmann, P. Kusch und J.R. Zacharias, Phys. Rev.55, Wikipedia (z.b Naturkostanten, Bild Stern Gerlach,Theresa Knott)

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