Wolfgang Demtröder. Kern-, Teilchen- und Astrophysik

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1 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik Mit 522, meist zweifarbigen Abbildungen, 15 Farbtafeln, 58 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 105 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 1.1 Was ist Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik? Historische Entwicklung der Kern- und Elementarteilchenphysik Bedeutung der Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik; offene Fragen Überblick über das Konzept des Lehrbuches 6 2. Aufbau der Atomkerne ^^^^^ ^ ^ ^ ^ Untersuchungsmethoden Ladung, Größe und Masse der Kerne Massen- und Ladungsverteilung im Kern Massendichteverteilung Ladungsverteilung im Kern Aufbau der Kerne aus Nukleonen; Isotope und Isobare Kerndrehimpulse, magnetische und elektrische Momente Magnetische Kernmomente Elektrisches Quadrupolmoment Bindungsenergie der Kerne Experimentelle Ergebnisse Nukleonenkonfiguration und Pauliprinzip Tröpfchenmodell und Bethe-Weizsäcker-Formel 29 Zusammenfassung 32 Übungsaufgaben Instabile Kerne, Radioaktivität ^^^^ ^^ ^ ^^^^^ H 3.1 Stabilitätskriterien; Stabile und instabile Kerne Instabile Kerne und Radioaktivität Zerfallsgesetze Natürliche Radioaktivität Zerfallsketten Alphazerfall Betazerfall Experimentelle Befunde Neutrino-Hypothese Modell des Betazerfalls 48

3 VIII Inhaltsverzeichnis Experimentelle Methoden zur Untersuchung des ß-Zerfalls Elektroneneinfang Energiebilanzen und Zerfallstypen Gammastrahlung Beobachtungen Multipol-Übergänge und Übergangswahrscheinlichkeiten Konversionsprozesse Kernisomere 57 Zusammenfassung 57 Übungsaufgaben Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik ^ ^ ^ ^ B 4.1 Teilchenbeschleuniger Geschwindigkeit, Impuls und Beschleunigung bei relativistischen Energien Physikalische Grundlagen der Beschleuniger Elektrostatische Beschleuniger Hochfrequenz-Beschleuniger Kreisbeschleuniger Stabilisierung der Teilchenbahnen in Beschleunigern Speicherringe Die großen Maschinen Wechselwirkung von Teilchen und Strahlung mit Materie Geladene schwere Teilchen Energieverlust von Elektronen Wechselwirkung von Gamma-Strahlung mit Materie Wechselwirkung von Neutronen mit Materie Detektoren Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geigerzähler Szintillationszähler Halbleiterzähler Spurendetektoren Cerenkov-Zähler Detektoren in der Hochenergiephysik Streuexperimente Grundlagen der relativistischen Kinematik Elastische Streuung Was lernt man aus Streuexperimenten? Kernspektroskopie Gamma-Spektroskopie Beta-Spektrometer 112 Zusammenfassung 113 Übungsaufgaben 114

4 Inhaltsverzeichnis IX 5. Kernkräfte und Kernmodelle 5.1 Das Deuteron Nukleon-Nukleon-Streuung Grundlagen Spinabhängigkeit der Kernkräfte Ladungsabhängigkeit der Kernkräfte Isospin-Formalismus Meson-Austauschmodell der Kernkräfte Kernmodelle Nukleonen als Fermigas Schalenmodell Rotation und Schwingung von Kernen Deformierte Kerne Kernrotationen Kernschwingungen Experimenteller Nachweis angeregter Rotationsund Schwingungszustände 145 Zusammenfassung 146 Übungsaufgaben Kernreaktionen 6.1 Grundlagen Die inelastische Streuung mit Kernanregung Die reaktive Streuung Die stoßinduzierte Kernspaltung Energieschwelle Reaktionsquerschnitt Erhaltungssätze Erhaltung der Nukleonenzahl Erhaltung der elektrischen Ladung Drehimpuls-Erhaltung Erhaltung der Parität Spezielle stoßinduzierte Kernreaktionen Die (a,p)-reaktion Die (a,n)-reaktion Stoßinduzierte Radioaktivität Kernspaltung Spontane Kernspaltung Stoßinduzierte Spaltung leichter Kerne Induzierte Spaltung schwerer Kerne Energiebilanz bei der Kernspaltung Kernfusion Die Erzeugung von Transuranen 164 Zusammenfassung 166 Übungsaufgaben 166

5 X Inhaltsverzeichnis 7. Physik der Elementarteilchen Ü H ^ M B H ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ H H H ^ H 7.1 Die Entdeckung der Myonen und Pionen Der Zoo der Elementarteilchen Lebensdauer des Pions Spin des Pions Parität des Ti-Mesons Entdeckung weiterer Teilchen Klassifikation der Teilchen Quantenzahlen und Erhaltungssätze Leptonen Das Quarkmodell Der achtfache Weg Quarkmodell der Mesonen Charm-Quark und Charmonium Quarkaufbau der Baryonen Farbladungen Experimentelle Hinweise auf die Existenz von Quarks Quarkfamilien Quäntenchromodynamik Starke und schwache Wechselwirkungen W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Reelle W-und Z-Bosonen Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung DieCPT-Symmetrie Erhaltungssätze und Symmetrien Das Standardmodell der Teilchenphysik 201 Zusammenfassung 203 Übungsaufgaben Anwendungen der Kern- und Hochenergiephysik 8.1 Radionuklid-Anwendungen Strahlendosis, Meßgrößen und Meßverfahren Technische Anwendungen Anwendungen in der Biologie Anwendungen von Radionukliden in der Medizin Nachweis geringer Atomkonzentrationen durch Radioaktivierung Altersbestimmung mit radiometrischer Datierung Hydrologische Anwendungen Anwendungen von Beschleunigern Kernreaktoren Kettenreaktionen Aufbau eines Kernreaktors Steuerung und Betrieb eines Kernreaktors Reaktortypen 221

6 Inhaltsverzeichnis XI Sicherheit von Kernreaktoren Radioaktiver Abfall und Entsorgungskonzepte Neue Konzepte Vor-und Nachteile der Kernspaltungsenergie Kontrollierte Kernfusion Allgemeine Anforderungen Magnetischer Einschluß Plasmaheizung Laserinduzierte Kernfusion 233 Zusammenfassung 234 Übungsaufgaben Grundlagen der experimentellen Astronomie und Astrophysik ^ ^ ^ H 9.1 Einleitung Meßdaten von Himmelskörpern Astronomische Koordinatensysteme Das Horizontsystem Die Äquatorsysteme Das Ekliptikalsystem Das galaktische Koordinatensystem Zeitliche Veränderungen der Koordinaten Zeitmessung Beobachtung von Sternen Teleskope Lichtstärke von Teleskopen Vergrößerung Teleskopanordnungen Nachführung Radioteleskope Röntgenteleskope Parallaxe, Aberration und Refraktion Entfernungsmessungen Scheinbare und absolute Helligkeiten Messung der spektralen Energieverteilung 259 Zusammenfassung 259 Übungsaufgaben Unser Sonnensystem ^^^^^^^^^ ^^^^^ H 10.1 Allgemeine Beobachtungen und Gesetze der Planetenbewegungen Planetenbahnen; Erstes Keplersches Gesetz Zweites und drittes Keplersches Gesetz Die Bahnelemente, der Planeten Die Umlaufzeiten der Planeten Größe, Masse und mittlere Dichte der Planeten Energiehaushalt der Planeten 272

7 XII Inhaltsverzeichnis 10.2 Die inneren Planeten und ihre Monde Merkur Venus Die Erde Der Erdmond Mars Die äußeren Planeten Jupiter und seine Monde Saturn Die äußersten Planeten Kleine Körper im Sonnensystem Die Planetoiden Kometen Meteore und Meteorite Die Sonne als stationärer Stern Masse, Größe, Dichte und Leuchtkraft der Sonne Mittelwerte für Temperatur und Druck im Inneren der Sonne Radialer Verlauf von Druck, Dichte und Temperatur Energieerzeugung im Inneren der Sonne Der Energietransport in der Sonne Die Photosphäre Chromosphäre und Korona Die aktive Sonne Sonnenflecken Das Magnetfeld der Sonne Fackeln, Flares und Protuberanzen 313 Zusammenfassung 314 Übungsaufgaben Geburt, Leben und Tod von Sternen ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ H 11.1 Die sonnennächsten Sterne Direkte Messung von Sternradien Doppelsternsysteme und die Bestimmung von Sternmassen Spektraltypen der Sterne Hertzsprung-Russel-Diagramm Die Geburt von Sternen Das Jeans-Kriterium Die Bildung von Protosternen Der Einfluß der Rotation auf kollabierende Gaswolken Der Weg des Sterns im Hertzsprung-Russel-Diagramm Der stabile Lebensabschnitt von Sternen (Hauptreihenstadium) Der Einfluß der Sternmasse auf Leuchtkraft und Lebensdauer Die Energieerzeugung in Sternen der Hauptreihe 333

8 Inhaltsverzeichnis XIII 11.4 Die Nach-Hauptreihen-Entwicklung Sterne geringer Masse Die Entwicklung von Sternen mit mittleren Massen Die Entwicklung massereicher Sterne und die Synthese schwerer Elemente Entartete Sternmaterie Zustandsgieichung entarteter Materie Weiße Zwerge Neutronensteme Pulsare als rotierende Neutronensterne Schwarze Löcher Der Kollaps zu einem schwarzen Loch Schwarzschild-Radius Lichtablenkung im Gravitationsfeld Zeitlicher Verlauf des Kollapses eines schwarzen Loches Die Suche nach schwarzen Löchern Beobachtbare Phänomene während des Endstadiums von Sternen Pulsationsveränderliche Novae Sterne stehlen Masse Supernovae Zusammenfassende Darstellung der Sternentwicklung Zum Nachdenken 361 Zusammenfassung 362 Übungsaufgaben Die Entwicklung und die heutige Struktur des Universums H U H U 12.1 Experimentelle Hinweise auf ein endliches expandierendes Universum Homogenität des Weltalls Die Metrik des gekrümmten Raumes Das Standardmodell Strahlungsdominiertes und massedominiertes Universum Hubble-Parameter und kritische Dichte Die frühe Phase des Universums Die Synthese der leichten Elemente Die Bildung von Kugelsternhaufen und Galaxien Das Alter des Universums Friedmann-Gleichungen Die Rotverschiebung Bildung und Struktur von Galaxien Galaxien-Typen Aktive Galaxien Die Struktur unseres Milchstraßensystems Stellarstatistik und Sternpopülationen Die Bewegungen der sonnennahen Sterne Die differentielle Rotation der Milchstraßenscheibe 389

9 XIV Inhaltsverzeichnis Die Spiralarme Kugelsternhaufen Das Zentrum unserer Milchstraße Interstellare Materie Die Entstehung der Elemente Die Entstehung unseres Sonnensystems Kollaps der rotierenden Gaswolke Die Bildung der Planetesimale Die Trennung von Gasen und festen Stoffen Das Alter des Sonnensystems Die Entstehung der Erde Die Separation von Erdkern und Erdmantel Die Erdkruste Vulkanismus Bildung der Ozeane Die Bildung der Erdatmosphäre 411 Zusammenfassung 412 Übungsaufgaben 414 Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik 415 Lösungen der Übungsaufgaben 417 Farbtafeln 465 Literaturverzeichnis 473 Sach- und Namenverzeichnis 479