Kern- und Teilchenphysik

Transkript

1 Kern- und Teilchenphysik 6162 Kern- und Teilchenphysik 3 Stunden Di. 12:00-12:45 im Hörsaal III diese Woche 12:00-13:30 Do. 10:00-11:30 im Hörsaal II diese Woche 10:00-10:45 Übungen Di :30 im Hörsaal III, Leiter: Tanja Kotthaus Klausur : im HS I von 9:00-12:00 Dozent: Peter Reiter, Institut für Kernphysik Fon: [email protected] Beginn: Dienstag, den , 12 Uhr Folien und Übungsblätter:

2 Gilt die Spezielle Relativitätstheorie noch? Relativitätstheorie auf dem Prüfstand - Teilchen rasen schneller als Einstein erlaubt Freitag, , 16:34 FOCUS Forscher staunen über rasende Neutrinos Verstöße gegen das Tempolimit des Universums , 17:53 Süddeutsche Zeitung Tief unter der Erde sind Wissenschaftler im Forschungszentrum CERN dabei, die Weltgesetze auszuhebeln: Sie wollen Neutrinos entdeckt haben, die schneller als das Licht sind. Ihre Ergebnisse rütteln an Einsteins Relativitätstheorie. Doch Physiker weltweit sind skeptisch - die Suche nach der Fehlerquelle beginnt. Schneller als das Licht FAZ - Frankfurter Allgemeine Zeitung Als Physikstudent wird man im Laufe des Studiums und der damit verbundenen Abfolge von mündlichen Prüfungen darauf trainiert, mit einem speziellen Typ von Fangfragen souverän umzugehen. Dieser Fragentyp hat die Struktur: X ist schneller als das Licht.... Hat sich Albert Einstein geirrt oder nicht? Hamburger Abendblatt Nichts ist schneller als das Licht? Forscher haben eine Entdeckung gemacht, die einen Teil der Relativitätstheorie widerlegen könnte. Albert Einstein glaubte: Nichts ist schneller als das Licht. Forscher haben jetzt eine Entdeckung gemacht,... Geht's auch etwas schneller als das Licht? WELT ONLINE Wenn es tatsächlich stimmt, wäre es eine Jahrhundertsensation und der erste Hinweis darauf, dass Albert Einstein mit seiner Relativitätstheorie zumindest in Teilen falsch lag. Denn ein internationales Forscherteam berichtet jetzt, dass die vielleicht...

3 Was passierte in Fukushima?

4 LHC und die Suche nach dem Higgs-Teilchen LHC-Experiment Atlas Wir wollen das Higgs-Teilchen finden Dienstag, , 08:57 FOCUS-Online Ein Gespräch mit dem CERN-Chef, Rolf-Dieter Heuer Einige denken nicht weit genug FAZ - Frankfurter Allgemeine Zeitung - vor 4 Tagen Die Natur scheint es den Physikern des Forschungszentrums Cern derzeit nicht gerade leicht zu machen. Weder das Higgs-Teilchen, noch Susy-Partikeln sind im Large Hadron Collider bislang aufgetaucht. Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer blickt nach wie vor optmistisch in die Zukunft.

5 Vertrag für milliardenschweres Beschleunigerzentrum unterzeichnet WIESBADEN / DARMSTADT Der milliardenschwere Bau eines weltweit einmaligen Teilchenbeschleunigers ist als internationales Projekt besiegelt. Die neun teilnehmenden Staaten - darunter Finnland, Frankreich und Indien, Polen, Rumänien und Russland - unterzeichneten am Montag in Wiesbaden einen Vertrag über Bau und Betrieb des Forschungszentrums in Darmstadt. Mit Kosten von rund einer Milliarde Euro ist die Anlage nach Angaben der hessischen Landesregierung eines der größten Forschungsprojekte in Deutschland. Der Beschleuniger steht künftig auf dem Gelände des GSI- Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung. Durch FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research/Anlage für Antiprotonenund Ionenforschung) wollen die Experten Neues zur Entstehung des Universums und zum inneren Aufbau der Materie erfahren Wissenschaftler planen derzeit die Anlage Während derzeit etwa Wissenschaftler in 40 Ländern die Anlage planen, soll der eigentliche Tiefbau im Herbst 2011 beginnen. Das Projekt kostet in der Startversion eine Milliarde Euro, im Vollausbau 1,2 Milliarden Euro. Deutschland stellt drei Viertel des Geldes bereit. "Hessen hat sich als Standortland bereiterklärt, 94 Millionen Euro in den Bau von FAIR zu investieren", sagte Ministerpräsident Volker Bouffier (CDU) bei der Unterzeichnung. FAIR sei wie ein kleinerer Bruder des 27 Kilometer langen Teilchenbeschleunigers CERN bei Genf, erläuterte GSI-Sprecher Ingo Peter. Bei CERN errichten die beschleunigten Teilchen höhere Geschwindigkeiten und im Aufprall höhere Temperaturen. "In Genf kommen wir dem Urknall schon sehr nahe." Was geschah in der tausendstel Sekunde nach dem Urknall?

6 Kleine Atome, große Maschine Kölner Stadtanzeiger, ,5 Millionen Euro teuer und 18 Tonnen schwer ist das neue Baby des Instituts für Kernphysik an der Universität Köln: Der Teilchenbeschleuniger, der seit Mai im Institutskeller steht, begeistert nicht nur die Kölner Wissenschaftler, sondern Forscher in der ganzen Bundesrepublik.

7 Kern- und Teilchenphysik Heute Einführung: Gegenstand der Kern- und Teilchenphysik Historisches Literatur Begriffe und Nomenklatur

8 Warum Kern- und Teilchenphysik studieren? Kernphysik ist nützlich! - Bildgebende Verfahren in der Medizin MRI oder NMR PET Positron Emission Tomography - Medizinische Strahlentherapie Protonen- und Schwerionentherapie

9 The 11 Greatest Unanswered Questions of Physics National Academy of Science Report 1. What is dark matter? 2. What is dark energy? 3. How were the heavy elements from iron to uranium made? 4. Do neutrinos have mass? 5. Where do ultra-energy particles come from? 6. Is a new theory of light and matter needed to explain what happens at very high energies and temperatures? 7. Are there new states of matter at ultrahigh temperatures and densities? 8. Are protons unstable? 9. What is gravity? 10. Are there additional dimensions? 11. How did the Universe begin?

10 Warum Kern- und Teilchenphysik studieren? Kernphysikalische Prozesse spielen eine fundamentale Rolle für das Verständnis unserer physikalischen Welt: Ursprung des Universums Entstehung der chemischen Elemente Energie der Sterne Bestandteile der Materie Kerne

11 Größenskalen Grenzen des bekannten Universums: m Galaxien: m Makroskopische Gebilde: 10-3 m m Kristalle, Moleküle: 10-9 m m Atome : m (Angström) Kerne: 3-10 fm = 3-10 x m, (1 Femtometer = Fermi) Nukleon: m Elementarteilchen: < m.

12 Wechselwirkungen und Kräfte Alle Wechselwirkungen WW zwischen Teilchen können durch vier fundamentale Kräfte beschrieben werden: Gravitation Elektromagnetische Wechselwirkung Schwache Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Auf kurzen Distanzen (~fm) ist die starke- und schwache Wechselwirkung innerhalb der Kerne stärker als die EM-WW.

13 Stärke der fundamentalen Kräfte

14 Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik Entdeckung der Röntgenstrahlung (1895 Röntgen) Entdeckung der Radioaktivität (1896 Becquerel) Entdeckung des Elektrons (1897 Thomson)

15 Elektron J.J. Thomson: Experimente mit Kathodenstrahlen Eigenschaften des Elektrons Ladung: e= C Millikan (1910) Ruhemasse: m e = MeV/c² Spin: s=½ ħ Magnetisches Moment: µ=e ħ/2m e = MeV/T Elektron ist ein Elementarteilchen R < m

16 Historisches, wichtige Daten aus der Kernphysik Gesetze des radioaktiven Zerfalls (1897 Rutherford, Soddy) Identifizierung der α-, β- und γ Strahlung (1897 Rutherford) α-streuexperimente, Existenz des Atomkerns (1911 Rutherford, Geiger, Mardsen) Systematik der Röntgenspektren, => Ordnungszahl, Basis für Periodensystem (1913 Mosley)

17 Protonenzahl: Ladung des Atomkerns Ladungszahl Z gibt die Zahl der Protonen im Kern an, Ladung Q=Ze Bestimmung von Z: Messung der Röntgenübergangsenergie aus der L- in die K-Schale Moseley sches Gesetz: E(K α )=1/2 α 2 m e c 2 (Z-1) 2

18 Historisches, wichtige Daten Bohrsches Atommodell Erklärung des Wasserstoffspektrums (1913 Bohr) Erste Kernreaktionen / Transmutation (1919 Rutherford) Entwicklung der Quantenmechanik (ab 1925 u.a. De Broglie, Schrödinger, Heisenberg, Born) Neutrinohypothese (1930 Pauli) Erste Teilchenbeschleuniger ( Van de Graaf, Cockroft, Walton, Lawrence) Entdeckung des Neutrons (1932 Chadwick)

19 Entdeckung des Neutrons 1932 Das Neutron als Teil des Atomkerns wurde 1932 von Chadwick als Produkt der Kernreaktion: 4 He + 9 Be -> 12 C + n + Q Die ungeladenen Neutronen wurden an Wasserstoffkernen gestreut. Bei zentralen Stößen wird die gesamte Energie auf das Proton übertragen.

20 Historisches, Entdeckung des Positrons (1932 Anderson) Theorie des Betazerfalls (1934 Fermi) Beschreibung der Kernkräfte durch Mesonenaustausch (1935 Yukawa) Entdeckung des Myons (1937 Anderson, Neddermeyer) Theorie der thermonuklearen Reaktionen in Sternen (1938 Bethe)

21 Historisches aus der Kernphysik Entdeckung der Kernspaltung (1938 Hahn, Straßmann) Theorie der Spaltung, Tröpfchenmodell (1939 Meitner, Frisch, Bohr, Wheeler) Produktion der ersten Transurane (1940 Seaborg) Erste kontrollierte Kettenreaktion (1942 Fermi) Entwicklung der Atombombe (1945 Oppenheimer(Manhatten Project)) Entdeckung des Pion oder Pi-Mesons (1947 Powell) Schalenmodell der Kernstruktur (1949 Goeppert-Mayer, Jensen, Haxel, Suess) Seltsamkeits-Hypothese (1953 Gell-Mann, Nishjima) Erster Nachweis von Teilchen mit Seltsamkeit (1953 Brookhaven National Laboratory) Kollektives Modell für Kerne (1953 A. Bohr, Mottelson, Rainwater) Entdeckung des Antiprotons (1955 Chaimberlain, Segre)

22 Historisches, wichtige Daten Experimenteller Nachweis des Neutrinos (1956 Reines, Cowan) Nachweis der Paritätsverletzung im Beta-Zerfall (1956 Lee, Yang, Wu) Quarkmodell der Hadronen (1964 Gell-Mann, Zweig) Elektroschwache Vereinigung (1967 Weinberg, Salam) Entwicklung der Quantenchromodynamik (1972 Gell-Mann)

23 Historisches, wichtige Daten Nachweis des J/Y Mesons (1974 Richter, Ting) Entdeckung des Tau-Leptons (1975 Perl) Entdeckung des Bottom Quarks (1977 Ledermann) Entdeckung der W und Z Bosonen (1983 Rubbia) Messung solarer Neutrinos (1960er , Davis) Messung von Neutrinos aus Supernova (1987 Koshiba) Entdeckung des Top Quarks (1995 Fermi Laboratory) Nachweis von Neutrino-Oszillationen (1998 Super-Kamikoande, 2001 SNO, 2003 KAMLAND)

24 Literaturliste Kern- und Teilchenphysik Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Kernphysik (Springer) Machner: Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik (Wiley-VCH)

25 Literatur Kernphysik Kernphysik und wenig Teilchenphysik Bethge: Kernphysik (Springer 1996) Demtröder: Experimentalphysik 4 (Springer 2004) Mayer-Kuckuk: Kernphysik (Teubner 1984)

26 Literaturliste Kernphysik weiterführende Lehrbücher Krane: Introductory Nuclear Physics (Wiley & Sons 1987) Casten: Nuclear Structure from a Simple Perspective Heyde: Basic Ideas and Concepts in Nuclear Physics

27 Nuklidkarte

28 Nomenklatur Ein Nuklid ist ein Atomkern aus Z Protonen und N Neutronen. Massenzahl A, die Summe von Protonenzahl und Neutronenzahl, Summe aller Nukleonen in diesem Atomkern: A = N + Z Die Ordnungszahl Z ist für das Element spezifisch. Mit q wird die Ionenladung bei atomaren Prozesse angegeben. Nuklide mit gleichem Z, N oder A haben folgende Namen: Isotope: Nuklide mit gleichem Z Isotone: Nuklide mit gleichem N Isobare: Nuklide mit gleichem A Vollständige Schreibweise: Nuklidkarte ist redundant wg. Z~X, A=N+Z

29 Einheiten in der Kern- und Teilchenphysik Längen Kerne haben Radien von einigen Femtometer fm (1fm = m), 1fm wird auch als Fermi bezeichnet Energie Energien werden in Elektronenvolt ev angegeben. Energie die eine Teilchen mit der Elementarladung 1e (= 1, C) beim Durchlaufen einer Potentialdifferenz von 1V gewinnt. 1 ev = 1, J. Typische Werte: Atomphysik: ev Kernphysik: kev, MeV Hochenergiephysik: GeV, TeV. Massen atomare Masseneinheiten (1u = 1/12m[ 12 C] = 1, kg) oder gemäß Massen-Energie-Äquivalenz E = mc 2 in MeV/c 2 eine atomare Masseneinheit 1 u = 931,5 MeV/c 2

30 Einheiten und Konstanten Quantenmechanische Systeme: Heisenbergsche Unschärferelation verknüpft Zeit- und Energieskalen, Planck-Konstant (Wirkungsquantum): Lichtgeschwindigkeit: Feinstrukturkonstante Masse-Energie-Äquivalenz A. Einstein 2 E = mc Drückt die Ladung in einer einfachen Art aus Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung

31 Natürliche Einheiten Natürliche Einheiten Einheitensystem bei dem von den Maßen (Meter, Kilogramm und Sekunde) auf die Einheiten ( h, c, MeV ) oder ( h, c, fm) übergegangen wird Die Relation zwischen beiden Systemen ist gegeben durch: