Kern- und Teilchenphysik

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Julian Becker
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1 Kern- und Teilchenphysik Johannes Blümer SS2012 Vorlesung-Website KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 v6 8. Mai 2012 Atomkerne Rutherford-Streuung frühe Streu-Experimente Ableitung der Rutherford-Streuformel Wirkungsquerschnitt Größe von Atomkernen Eigenschaften von Kernen Radien, Formfaktor Massen und Bindungsenergien [B-N]: Jörn Bleck-Neuhaus Elementare Teilchen; Springer, KIT ebook Amsler Kap. 1, 2 Drexlin 2010 Kernmodelle Tröpfchenmodell Schalenmodell 2 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 3 Streuung im Thomson-Modell [B-N]

4 4 Szintillatorbeobachtungen [B-N] Abb. 3.1 Apparat von Marsden A B: Glasröhrchen mit -strahlendem Gas ( Radium- Emanation D Radon D Rn). S: Szintillator-Schirm(ZnS)mitMikroskopM. P: Bleiblech,verhindert den direkten Weg zum Szintillator. RR: When a reflector was placed in the position at about 1 cm from the tube, scintillations were at once observed. (aus der Original- Veröffentlichung von Geiger und Marsden [77])

5 5

6 6 Rutherford-Apparatur [B-N] Abb. 3.2 Rutherford-Apparatur. R radioaktives Präparat, D Austritt der -Teilchen, F Gold- Folie, S Szintillator-Kristall, M Lupe (Original-Bild nach [165])

7 7 Winkelverteilung [B-N]

8 Rutherford-Streuung Annahmen: M >> m m >> me punktförmige Ladungen nur Coulombkraft elastische Streuung Symmetrieebene aktueller Ort r(t), (t) b v v = v p v m -(-)/2 Symmetriew 8 b = [ -(-)/2 r(t) M [Drexlin]

9 9 Drehimpuls und Stoßparameter

d d ( ) b sin db d db b Element des Kreisrings d Kern Element des

10 10 Differentieller Wirkungsquerschnitt einfallende Teilchen Detektor F Target d 2 b d d d ( ) d d d d db d = 2 sin d d 2 sin d d ( ) b sin db d db b Element des Kreisrings d Kern Element des Raumwinkels d [, -d ] nimmt zu, wenn b abnimmt Streupotenzial [Drexlin]

11 11 Differentieller Wirkungsquerschnitt

12 12 Wirkungsquerschnitt und Streurate

13 Rutherford-Streuformel 13 2 ) / ( s i n kin Rutherford E e Z z d d 2 ) / ( s i n kin Rutherford E Z z d d 2 ) / ( s i n 1 ] [ ] [ MeV E Z z b d d

14 14 Verifizierung f(1/e 2 ), f(z 2 ) [B-N]

15 15 Wie groß ist der Atomkern?

16 16 Wie groß ist der Atomkern? WQ WQ Coulomb WEGNER HE, RM EISBERG und G IGO: Elastic scattering of 40-MeV alpha particles from heavy elements. Phys. Rev. 99(3): , Aug 1955 absidal distance = kleinster vom Alphateilchen erreichter Abstand vom Zentrum des Coulombpotentials des Goldkerns

17 17 Systematische Untersuchung von Kernen Abschluss Rutherford- Streuung Anwendungsbeispiel Bedeutung von WQ- Messungen Luminosität Rutherford-Streuung mit Impulsübertrag formuliert Mott-Streuung Formfaktor zur Messung von tot erforderlich: - Zahl einlaufender Teilchen / s - Messdauer t - Detektor-Raumwinkelelement d - Streuwinkel - Zahl gestreuter Teilchen - Targetdicke - Targetdichte - Kernmasse der Targetatome - Avogadrozahl Energieabhängigkeit von tot kann z.b. zum Nachweis neuer Teilchen (Resonanzen) führen, [Drexlin] hier bei Reaktion + p + p

18 18 WQ-Messungen Beispiel e + e -Kollisionen ρ ω φ ρ J/ψ ψ(2s) Υ Z [RPP] σ[mb] s [GeV ]

19 19 Anwendung: Rutherford-Rückstreu- Spektroskopie [B-N] Abb. 3.8 Prinzip der Rutherford-Rückstreu-Spektroskopie zur Aufnahme des Tiefenprofils von Fremdatomen (Masse M 2 )ineinemfestkörper(massem 1 ). -Teilchen (Masse m,energiee 0 ) werden unter fast 180 gestreut und nach ihrer restlichen Energie E D E 0 E in ein Spektrum einsortiert. Dabei setzt sich der Energieverlust E aus drei Anteilen zusammen: Abbremsung vor dem Stoß auf E Stoß D E 0 E rein,übertragenerückstoßenergiee Stoß.4m=M / E Stoß,und weitere Abbremsung E raus.nacheinemstoßdirektanderoberflächehabendieprojektileje nach Stoßpartner die Energie.1 4m M 1 /E 0 oder.1 4m M 2 /E 0.(AuseinemHandbuchderChip- Fertigung [166])

20 20 WQ und Luminosität

21 21 Rutherford-Streuung mit Impulsübertrag

22 22 Mott-Streuung Nevill F. Mott ( )

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