Globale Eigenschaften der Kerne

Transkript

1 Kerne und Teilchen Moderne Experimentalphysik III Vorlesung MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Globale Eigenschaften der Kerne KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 .1 Atome Thomson 1897: Millikan 1910: Thomson Atom: Rutherford 1919: Chadwick 193: freie e - in Entladungsröhren v, q/m durch Lorentzkraft gemessen nicht von Apparat abhängig UNIVERSELL e durch Tröpfchenversuch diffuse Ladungsverteilung gestorben durch Rutherford, Geiger, Marsden α = Helium-Kern 14 N + 4 He 17 O + p Bestandteil Neutron Rückstoßmessungen an H, He, N! Stoßgesetze: m n m p positiv geladenes Teilchen mit großer Reichweite vgl. de de dx α dx p + e - Ionenquellen und Massenspektrographen: Kernmassen, Bindungsenergie Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

3 Das Rutherford Experiment: Entdeckung der Atomkerne Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

4 Bestätigung durch Messungen von Geiger und Marsden Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

5 Kinematik Einlaufende-auslaufende Seite symmetrisch! Kin.Energie: T = 1 mv d: kleinster Abstand (distance of closest approach) b: Stoßparameter (impact parameter) Streuwinkel! (wenn keine Kraft wirkte) Ursprung: Kern M, Ze, v=0 Wenn b=0: Zurücklaufen des Projektils nach Annäherung auf d E pot = 0 Energieerhaltung: Zze 4πε 0 d 0 E pot = T und 1 mv d 0 = Zze / 4πε 0 ==> Gesucht: d 0 als f(θ) Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

6 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

7 . Nuklide Kernladungen: Q = Z e charakteristische Röntgenstrahlung: E Kα ( Z 1) Mosely Gesetz K α : L K -Schale K β : M K -Schale λ m = hc / eu (Grenzwellenlänge) Ladung des Protons: ep + ee 18 e < 10 aus Ablenkung neutraler Moleküle (+ kosmologischen Überlegungen, Strukturbildung etc.) Massenzahl: A = N + Z Neutronen Protonen Nuklide gleiches A : Isobare gleiches Z : Isotope gleiches N : Isotone Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

8 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

9 Bindungsenergie B Bindungszustand und Stabilität Massendefekt O(1%) präzise Messungen durch Atommassen "Erwartung" "Messung" [ ( 1 Z M ( H ) + ( A Z ) M ) M ( A, Z ) ] B ( Z, A ) = n c Nuklidbezeichungen: = M + m +13. ev M p = MeV p e 6 A X Z N entbehrlich M n = MeV m e = 0,511 MeV Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

10 Massenspektrometrie (Aston 1919) Ablenkung in elektrischen und magnetischen Feldern (Lorentzkraft) M Q r = v E E r M = M Q v B (kinetische Energie) (Impuls) Doppelfokus Massenspektrometer, Aston Massenspektrometer Q M = B r r = U U B Auflösung: r r = 1 M 10 M U: 3000 V, B = 0.1 T, r 500 mm M Q Eichung durch 1 C : atomare Masseneinheit 1u 1 1 u = 1/1 M( 1 C) = MeV (< m p ) Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

11 Quelle: Mayer-Kuckuk, Kernphysik Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

12 Massenspektrometer Einfaches Beispiel: [Quelle: Povh, Teilchen und Kerne] Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

13 Massenbestimmung durch Energiebilanz in Kernreaktionen n 1 + H H + γ thermische Energie 1/40 ev Eγ Eγ + B( H ) =. MeV M ( H ) Rückstoß sonst: 3 bekannte Massen + alle kinetischen Energien messen! Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

14 Elementhäufigkeiten Sonnensystem: Erde Mond Meteoriten Proben außerhalb: kosmische Strahlung Primärstrahlung Ballon- und Satellitenexperimente Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

15 Elementhäufigkeiten [Quelle: Povh, Teilchen und Kerne] Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

16 Elementsynthese Quarks und Elektronen H D He Li Be : : Fe Urknall- Nukleosynthese stellare Nukleosynthese aus Urknall SiFe : : Supernova- Explosionen H O und C : aus Sternenbrennen Pb : aus Supernovae Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

17 .3 Bindungsenergie E B 7-8 MeV / Nukleon Bethe-Weizsäcker (1935): semiempirische Massenformel M ( A, Z) = N M n + Z M p + Z m e Ruhemassen der Teilchen Bindung der Nukleonen Reduktion der Bindung a a a v s c a A Z 3 ( N / a δ / A v A Z) / 4A a v A Volumen- a v = 16 MeV Oberflächen- Coulomb- Asymmetrie- Paarungsenergie a s = 17 MeV a c = 0,7 MeV a a = 93 MeV δ = ±11 0 MeV Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

18 [Quelle: Povh, Teilchen und Kerne] Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

19 Tröpfchenmodell konstante Dichte: M 3 R kurze Reichweite der Bindungskraft Sättigung, nur nächste Nachbarn Deformierbarkeit Oberflächenspannung R A A 3 aber: mittlere freie Weglänge von Nukleonen im Kern ist groß Quantenflüssigkeit, "Fermigas" Coulombenergie: Coulombabstoßung der Protonen (alle untereinander) ( 1) 3 Z Z αh c E Z C = = 5 R R Z A 1 3 Paarungsenergie: Spin-Dubletts besonders stabil δ = + 11MeV 0 11MeV für gg Kerne ug, gu Kerne uu Kerne g = gerade Anzahl u = ungerade Anzahl N Z Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung

20 Isobare A=14: Multipletts und Isospin [Quelle: Povh, Teilchen und Kerne] Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung