Experimentalphysik4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik

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1 Wolfgang Demtröder Experimentalphysik4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik Zweite, überarbeitete Auflage Mit 543, meist zweifarbigen Abbildungen, 15 Farbtafeln, 62 Tabellen, zahlreichen durchgerechneten Beispielen und 104 Übungsaufgaben mit ausführlichen Lösungen 123

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 Aufbau der Atomkerne 2.1 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 Pauli-Prinzip Tröpfchenmodell und Bethe Weizsäcker-Formel Zusammenfassung Übungsaufgaben Instabile Kerne, Radioaktivität 3.1 Stabilitätskriterien; Stabile und instabile Kerne Instabile Kerne und Radioaktivität Zerfallsgesetze Natürliche Radioaktivität Zerfallsketten Alphazerfall Betazerfall Experimentelle Befunde Neutrino-Hypothese Modell des Betazerfalls Experimentelle Methoden zur Untersuchung des β-zerfalls 51

3 X Inhaltsverzeichnis Elektroneneinfang Energiebilanzen und Zerfallstypen Gammastrahlung Beobachtungen Multipol-Übergänge und Übergangswahrscheinlichkeiten Konversionsprozesse Kernisomere Zusammenfassung Übungsaufgaben Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik 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 Gammastrahlung mit Materie Wechselwirkung von Neutronen mit Materie Detektoren Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geigerzähler Szintillationszähler Halbleiterzähler Spurendetektoren Čerenkov-Zähler Detektoren in der Hochenergiephysik Streuexperimente Grundlagen der relativistischen Kinematik Elastische Streuung Was lernt man aus Streuexperimenten? Kernspektroskopie Gamma-Spektroskopie Beta-Spektrometer Zusammenfassung Übungsaufgaben Kernkräfte und Kernmodelle 5.1 Das Deuteron Nukleon-Nukleon-Streuung

4 Inhaltsverzeichnis XI Grundlagen Spinabhängigkeit der Kernkräfte Ladungsunabhängigkeit 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 Zusammenfassung 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 (α, p)-reaktion Die (α, n)-reaktion Stoßinduzierte Radioaktivität Kernspaltung Spontane Kernspaltung Stoßinduzierte Spaltung leichter Kerne Induzierte Spaltung schwerer Kerne Energiebilanz bei der Kernspaltung Kernfusion Die Erzeugung von Transuranen Zusammenfassung Übungsaufgaben Physik der Elementarteilchen 7.1 Die Entdeckung der Myonen und Pionen Der Zoo der Elementarteilchen Lebensdauer des Pions

5 XII Inhaltsverzeichnis Spin des Pions Parität des π-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 Quantenchromodynamik Gluonen Quarkmodell der Hadronen Starke und schwache Wechselwirkungen W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung Reelle W- und Z-Bosonen Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung Die CPT-Symmetrie Erhaltungssätze und Symmetrien Das Standardmodell der Teilchenphysik Neue, bisher experimentell nicht bestätigte Theorien Zusammenfassung 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 Sicherheit von Kernreaktoren Radioaktiver Abfall und Entsorgungskonzepte

6 Inhaltsverzeichnis XIII Neue Konzepte Vor- und Nachteile der Kernspaltungsenergie Kontrollierte Kernfusion Allgemeine Anforderungen Magnetischer Einschluss Plasmaheizung Laserinduzierte Kernfusion Zusammenfassung Übungsaufgaben Grundlagen der experimentellen Astronomie und Astrophysik 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 Stern-Interferometrie Röntgenteleskope Gravitationswellen-Detektoren Parallaxe, Aberration und Refraktion Entfernungsmessungen Geometrische Verfahren Andere Verfahren der Entfernungsmessung Scheinbare und absolute Helligkeiten Messung der spektralen Energieverteilung Zusammenfassung Übungsaufgaben Unser Sonnensystem 10.1 Allgemeine Beobachtungen und Gesetze der Planetenbewegungen Planetenbahnen; Erstes Kepler sches Gesetz Zweites und drittes Kepler sches Gesetz Die Bahnelemente der Planeten Die Umlaufzeiten der Planeten Größe, Masse und mittlere Dichte der Planeten Energiehaushalt der Planeten

7 XIV 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 Die pulsierende Sonne Zusammenfassung Übungsaufgaben Geburt, Leben und Tod von Sternen 11.1 Die sonnennächsten Sterne Direkte Messung von Sternradien Doppelsternsysteme und die Bestimmung von Sternmassen und Sternradien 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

8 Inhaltsverzeichnis XV 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 Zustandsgleichung entarteter Materie Weiße Zwerge Neutronensterne 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 Planetarische Nebel und Supernova-Überreste Zusammenfassende Darstellung der Sternentwicklung Zum Nachdenken Zusammenfassung Übungsaufgaben Die Entwicklung und heutige Struktur des Universums 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 Galaxienhaufen und Superhaufen Kollidierende Galaxien Die Struktur unseres Milchstraßensystems

9 XVI Inhaltsverzeichnis Stellarstatistik und Sternpopulationen Die Bewegungen der sonnennahen Sterne Die differentielle Rotation der Milchstraßenscheibe Die Spiralarme Kugelsternhaufen Offene Sternhaufen Das Zentrum unserer Milchstraße Dynamik unserer Milchstraße Interstellare Materie Das Problem der Messung kosmischer Entfernungen 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 Zusammenfassung Übungsaufgaben Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik Zeittafel zur Astronomie Lösungen der Übungsaufgaben Farbtafeln Literaturverzeichnis Sach- und Namensverzeichnis