Kern- und Teilchenphysik

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Michaela Egger
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1 Kern- und Teilchenphysik Johannes Blümer SS2012 Vorlesung-Website KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 v9 22. Mai 2012 Radioaktivität, Kernzerfälle Radioaktivität Zerfallsgesetz Partialbreite, totale Breite, Breit-Wigner-Verteilung Poissonstatistik Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Gamma-Strahlung 2 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 Zerfallsgesetz 3 13 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

4 Partialbreite, totale Breite, Breit-Wigner-Verteilung 4 14 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

6 [B-N] Abb. 6.4 Die erste Beobachtung der natürlichen Linienbreite bei Bildung und Zerfall eines neuen Elementarteilchens: die -Resonanz des Nukleons, hier gebildet bei Streuung von Pionen an Protonen (Handskizze für einen Konferenzvortrag 1954). Die Halbwertsbreite bei und C (rote Pfeile nicht im Original) ist übereinstimmend 200 MeV, die Lebensdauer des Resonanz-Teilchens entsprechend D s. (Abbildung nach [48])

7 7 [B-N] Abb. 6.5 Natürliche Linienbreite bei Bildung und Zerfall des Z 0,mit91GeVRuhemasseeinsder schwersten bisher gefundenen Elementarteilchen. (Abbildung nach [24]). Die Halbwertsbreite (roter Pfeil)dieserResonanzkurveist2;2GeV,dieLebensdauerentsprechend D s. (Die mittlere der drei eingezeichneten Kurven ist die Vorhersage des Standard-Modells der Elementarteilchen für genau N D 3verschiedeneFamilienvonLeptonen siehekap.10,12und Abschn. 14.2)

8 8 [rpp2010] Figure 41.8: Combined data from the ALEPH, DELPHI, L3, and OPAL Collaborations for the cross section in e+e annihilation into hadronic final states as a function of the centerof-mass energy near the Z pole. The curves show the predictions of the Standard Model with two, three, and four species of light neutrinos. The asymmetry of the curve is produced by initialstate radiation. Note that the error bars have been increased by a factor ten for display purposes.

9 9 Mössbauereffekt [B-N]

10 10 Alter von Meteoriten [B-N]

11 Poissonstatistik 0.4" 0.35" µ=1 0.3" µ=2 Pµ(m) 0.25" 0.2" µ=3 0.15" µ=10 0.1" 0.05" 0" 0" 1" 2" 3" 4" 5" 6" 7" 8" 9" 10" m 11

12 12 3 Typen von Strahlung [B-N]

13 13 3 Typen von Strahlung [Amsler]

14 14 Gamma-Strahlung

15 15 Gamma-Spektroskopie Abb Spektrum eines monoenergetischen Strahlers aufgenommen mit einem hpge Halbleiter-Detektor (Standard-Messung in der Landesmessstelle für Radioaktivität an der Uni Bremen, Dank an Bernd Hettwig)

16 16 Niveauschema

17 17 Alphastrahlung Bild 7.6. Spektrum der α-zerfälle des 241 Am [BWW = Bethge Walter Wiedemann, Kernphysik] Abb. 2.3 Typische Spuren von -Teilchen. Die einzelne längere Spur stammt von einem Teilchen deutlich höherer Energie. (Abbildung aus [72]) [B-N]

18 18 Alpha-Zerfall Abb. 6.9 Halbwertzeiten vs. -Teilchen-Energie E von natürlichen (und im Fall der Neptunium- Reihe künstlichen) -Strahlern: eine fast universelle Kurve, wobei T 1 über 25 Zehner-Potenzen variiert, die kinetische E als offenbar maßgeblicher Parameter aber nur um einen Faktor 2. (Uranium series D Uran-238-Reihe, Actinium series D Uran-235-Reihe.) (Aus [157]) 2 [B-N]

19 24

20 19 [Amsler]

21 20 Alpha-Zerfall n. Geiger-Nuttal Abb In der Auftragung nach Geiger und Nuttal Zerfallskonstante gegen Reichweite der -Strahlen in Luft, doppelt-logarithmisch sieht man für jede der drei natürlichen Zerfallsreihen eine eigene Gerade. (DiegegenüberAbb.6.9umgekehrteSteigungentstehtdurchdieumgekehrte Orientierung der y-achse, weil / T 1 1.) (Abbildung aus [58]) [B-N] 2

22 21 Bild 7.7. Abhängigkeit des Logarithmus der Halbwertszeit vom Q-Wert des α- Zerfalls [GA57] [BWW]

23 22 Alpha-Zerfall und Tunneleffekt [Bilder und Herleitungsskizze nach Amsler Kap. 5.3; Rechnung z.b. BWW Kasten 7.2]

24 23 Gamov-Plot Abb Halbwertzeit vs. Energie der -Strahler aufgetragen nach der aus dem Gamov-Modell erwarteten linearen Formel. Jede Linie gehört zu einem Element (Z am chem. Symbol angegeben, auch künstliche Elemente sind aufgeführt, aus [143]). (Hier ist die x-achse anders herum orientiert als in Abb. 6.9)

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