Kernphysik II Kernstruktur & Kernreaktionen Nuclear Structure & Reactions

Transkript

1 Kernphysik II Kernstruktur & Kernreaktionen Nuclear Structure & Reactions Dozent: Prof. Dr. P. Reiter Ort: Seminarraum Institut für Kernphysik Zeit: Montag 14:00 14:45 Mittwoch 16:00 17:30

2 Kernphysik II Kernstruktur & Kernreaktionen Themen der Vorlesung: - Erhaltungsgrößen und Symmetrien - Kernreaktionen: Fusion & Spaltung - Astrophysikalische Reaktionen - Schwache Wechselwirkung - Schalenmodell und exotische Kerne

3 Voraussetzungen Voraussetzungen aus Kern- und Teilchenphysik: - Bindungsenergien, Massen - α-zerfall - β-zerfall - Rutherford-Streuung, Wirkungsquerschnitt - Fermis Goldene Regel - Grundlegende Begriffe der Streutheorie - Elektronenstreuung - Formfaktor, Ladungsverteilung - EM-Momente

4 Voraussetzungen Voraussetzungen aus Kern- und Teilchenphysik: - Grundlagen Beschleunigerphysik - Grundlagen Detektorphysik - Eigenschaften der Kernkräfte - Isospin - Deuteron - Austauschmodell der Nukleon-Nukleon-WW - Fermigasmodell - Schalenmodell - Angeregte Zustände in Atomkernen - γ-zerfall

5 Kernphysik II Lehrbücher für Einsteiger, Wiederholung Physik VI

6 Kernphysik II Lehrbücher mit Vertiefung in Kernphysik Introductory Nuclear Physics von Kenneth S. Krane John Wiley and Sons (WIE) (März 00) Cauldrons in the Cosmos Nuclear Astrophysics von Claus E. Rolfs, William S. Rodney University of Chicago Press (August 005) Nuclear Structure from a Simple Perspective von Richard F. Casten Oxford University Press (Juni 001)

7 Kernphysik II Lehrbücher mit theoretischen Konzepten

8 Warum ist Gold soviel teurer als Eisen? 16. September 005 Preis für eine Feinunze (rund 31 Gramm) Gold 459 Dollar an. 5. Oktober 006 Feinunze Gold: 566,70 Dollar 17. Oktober 007 Feinunze Gold: 764,00 Dollar 13. Oktober 008 Feinunze Gold: 858,75 Dollar 15. Oktober 009 Feinunze Gold: 1070,80 Dollar 5. Oktober 01: Feinunze Gold: 1780,90 Dollar

9 Häufigkeit der chemischen Elemente Häufigkeit der chemischen Elemente Fe 7 Größenordnungen weniger häufig! Au Warum? Frage 3 How were the elements from iron to uranium made? The 11 Greatest Unanswered Questions of Physics National Academy of Science Report [Committee for the Physics of the Universe (CPU)]

10 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 = 1/1m[ 1 C] = 1, kg) oder gemäß Massen-Energie-Äquivalenz E = mc in MeV/c eine atomare Masseneinheit 1 u = 931,5 MeV/c

11 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: gleiches Z Isotone: gleiches N Isobare: gleiches A Vollständige Schreibweise: Nomenklatur Nuklidkarte ist redundant wg. Z~X, A=N+Z

12 Einheiten und Konstanten Quantenmechanische Systeme: Heisenbergsche Unschärferelation verknüpft Längen- und Energieskalen, Planck-Konstante (Wirkungsquantum): Lichtgeschwindigkeit: Feinstrukturkonstante Drückt die Ladung in einer einfachen Art aus Maß für die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung

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

14 Kapitel 1: Erhaltungsgrößen und Kernreaktionen Kinematik & Erhaltungssätze { p + T { { R + e { Projektil Target Rückstoßkern Abkürzung für Reaktion: T (p,e) R (p,e) Ejektil

15 Beispiel: Kinematik der Elektronenstreuung Elektron (, p) E r p( Elektron) 1443 Projektil Kern + P( Kern) P ( Kern) + p ( Elektron) Target Rückstoßkern ( E ) ( ) ( E ), p Mc,0, p c oder r Energie - und Impulserhaltung : invariante Masse : p = p p + pp + m e c c p + P P p P = p P p + p P r ( E, p ) E P P ϑ Ejektil c + p P + = P meist wird Rückstoßkern nicht nachgewiesen : p P = = r = = und = M r ( E P ) P, r, P P c p ( p + P p )

16 Beispiel: Kinematik der Elektronenstreuung Kern Elektron (, p) E r ( E, p ) ( ) ( ) ( ),,0, = E r = = E r = E r p p P Mc p p P P, P c c c Energie - und Impulserhaltung : p P = p ( p + P p ) r r Einsetzen der 4er - Impulse: E Mc = E E p p c + E Mc m 4 r bei hohen Energien : m c 0 und E p c e r ϑ r ( E P ) P, e c 4 Energie des gestreuten Elektrons im : E = 1+ E Mc E ( 1 cosϑ)

17 Kernreaktion bei niedrigen Energien Beispiel: α N O + ( α, p ) 17 O N α, ( α, p) p The reaction 14 N(α,p) 17 O performed by Rutherford in 1917 (reported 1919), is generally regarded as the first nuclear transmutation experiment.