Wolfgang Demtröder. Experimentalphysik. Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4. Auflage

Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4. Auflage

Springer-Lehrbuch

Experimentalphysik Band 1 Mechanik und Wärme 6. Auflage ISBN 978-3-642-25465-9 Band 2 Elektrizität und Optik 6. Auflage ISBN 978-3-642-29943-8 Band 3 Atome, Moleküle und Festkörper 4. Auflage ISBN 978-3-642-03910-2 Band 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4. Auflage ISBN 978-3-642-21475-2

Wolfgang Demtröder Experimentalphysik 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik 4., überarbeitete und aktualisierte Auflage

Wolfgang Demtröder TU Kaiserslautern Fachbereich Physik Erwin-Schrödinger-Str. 46 67663 Kaiserslautern Deutschland e-mail: demtroed@rhrk.uni-kl.de ISSN 0937-7433 ISBN 978-3-642-21475-2 DOI 10.1007/978-3-642-21476-9 ISBN 978-3-642-21476-9 (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998, 2005, 2010, 2014 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Vera Spillner, Stefanie Adam Einbandentwurf: deblik, Berlin Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.springer-spektrum.de

Vorwort zur vierten Auflage Seit dem Erscheinen der 3. Auflage 2009 sind sowohl in der Kern- und Hochenergiephysik als auch besonders in der Astrophysik wichtige neue Entdeckungen gemacht worden, welche bestehende Theorien bestätigen aber auch zu revidierten Vorstellungen über grundlegende Modelle und Theorien führen können. Beispiele in der Teilchenphysik sind die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN und die Möglichkeiten, mit neuen Beschleunigern neue Teilchen, z. B. supersymmetrische Teilchen oder WIMPS (weakly interacting massive particles) zu entdecken, in der Kernphysik die Untersuchung von instabilen Kernen mit großem Neutronenüberschuss oder die künstliche Erzeugung neuer Transurane am Darmstädter Beschleuniger GSI. In der Astrophysik hat die genauere Vermessung geringer Anisotropien der Hintergrundstrahlung detaillierte Informationen über das frühe Stadium unseres Universums gebracht. Die Diskussion über die dunkle Materie und die dunkle Energie hat Möglichkeiten aufgezeigt, wie diese bisher unverstandenen Größen vielleicht experimentell geprüft werden können. Die genaue Vermessung von Supernovae in fernen Galaxien hat gezeigt, dass diese als Entfernungsstandards benutzt werden können, die zu einer verbesserten Entfernungsskala im Universum geführt haben und es wurde gezeigt, dass sich das Universum zurzeit beschleunigt ausdehnt. Die gelungene Landung des Roboters Curiosity wird wohl die bisher genaueste Untersuchung der Marsoberfläche und der chemischen Zusammensetzung des Marsgesteins und der Marsatmosphäre bringen. Die Entdeckung vieler extrasolarer Planeten hat die Frage nach der Möglichkeit von intelligentem Leben außerhalb unserer Erde neu entfacht. In dieser neuen 4. Auflage sind Fehler und Ungenauigkeiten der 3. Auflage korrigiert worden, einige Abschnitte neu formuliert worden, um eine größere Klarheit der Darstellung zu gewinnen. Außerdem werden die oben erwähnten neueren Entwicklungen ausführlicher diskutiert und Ausblicke auf mögliche Stoßrichtungen der gegenwärtigen Forschung gegeben. Der Autor dankt allen Lesern, die auf Fehler hingewiesen und Korrekturvorschläge gemacht haben. Insbesondere möchte ich Herrn Peter Staub, TU Wien, danken, der sich sehr intensiv um Korrekturen bemüht hat. Ich danke Frau Dr. Spillner für die Organisation bei der graphischen Gestaltung und beim Druck und Frau Kroke bei der Firma le-tex publishing services für Layout und Druck. Kaiserslautern, im Mai 2013 Wolfgang Demtröder

Vorwort zur dritten Auflage Die Astrophysik, welche den Abschluss des vierbändigen Lehrbuches über Experimentalphysik bildet, braucht fast alle Gebiete der Physik zur Erklärung der beobachteten Phänomene. Sowohl die Mechanik, als auch Thermodynamik, Hydrodynamik, Elektrodynamik, Atom- und Molekülphysik, Plasmaphysik, Kernphysik und Hochenergiephysik werden benötigt, um Sternmodelle und Vorstellungen über den Kosmos zu entwickeln. Deshalb steht die Astronomie und Astrophysik am Ende dieser Lehrbuchreihe, nachdem der Leser aller 4 Bände mit den oben genannten Gebieten vertraut ist. Seit dem Erscheinen der 2. Auflage von Band 4, wurden sowohl in der Kern- und Hochenergiephysik, als auch insbesondere in der Astrophysik viele neue experimentelle Techniken eingeführt, die zu neuen, aufregenden Ergebnissen geführt haben. Beispiele für die Hochenergiephysik sind neue Detektoren für die Erzeugung elementarer Teilchen bei hochenergetischen Zusammenstößen von Elektronen oder Hadronen, welche gleichzeitig die Art der erzeugten Teilchen, sowie deren Energie, Impuls und Streuwinkel messen können. Ein besonderes Highlight ist die Fertigstellung des weltweit größten Teilchenbeschleunigers LHC am CERN im Sommer 2009, sowie neue theoretische Ansätze zur Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik. In der Astrophysik sind eine Reihe von erdgebundenen Großteleskopen gebaut worden, welche die Techniken der adaptiven und aktiven Optik in verbesserter Form benutzen und sogar mehrere Teleskope zu einem Sterninterferometer im optischen Bereich vereinigen konnten. Dies hat bewirkt, dass neben der wesentlich größeren Lichtstärke auch die Winkelauflösung erheblich verbessert werden konnte, sodass eng benachbarte Sterne im Zentrum unserer Milchstraße, wo die Sterndichte sehr groß ist, noch aufgelöst werden konnten. Viele neue die Erde umkreisenden Satelliten, wie z. B. das Hubble Space Telescope oder der Satellit KO- BE zur Untersuchung der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sowie zahlreiche Raumsonden haben unsere Kenntnis über unser Planetensystem und vor allem über unser Universum und seinen Zustand vor vielen Milliarden Jahren wesentlich erweitert und neue Informationen über die zeitliche Entwicklung und die Dynamik unseres Universums geliefert. Die Auswertung der Daten des HYPARCOS Satelliten, welcher die Entfernung vieler Sterne mit bisher unerreichter Genauigkeit vermessen hat, konnte manche Diskrepanzen über das Alter von Kugelsternhaufen, die aus fehlerhaften Entfernungsbestimmungen entstanden waren, beseitigen. Diese neuen Erkenntnisse haben auch neue Fragen aufgeworfen, die bisher noch nicht beantwortet werden konnten. Beispiele sind die wahrscheinliche Existenz von dunkler Materie und dunkler Energie, über deren physikalische Erklärung noch viel spekuliert wird. In der vorliegenden dritten Auflage, werden einige dieser neuen Entwicklungen vorgestellt, um dem Leser eine Vorstellung von den heute diskutierten Problemen zu geben. Die im Inhaltsverzeichnis mit * gekennzeichneten Abschnitte können für Leser, die sich nicht so eingehend mit dem Stoff beschäftigen wollen, überschlagen werden. Der Autor dankt allen Lesern, Studenten und Kollegen, die Korrekturen und Verbesserungen der Darstellung angeregt haben. Insbesondere danke ich Herrn Peter Staub von der TU Wien, für viele detaillierte Vorschläge bei der Neuauflage.

VIII Vorwort zur dritten Auflage Frau Steffi Hohensee von der Firma le-tex publishing services GmbH Leipzig, die Druck und Layout überwacht hat, gebührt mein Dank und ebenso Herrn Dr. Thorsten Schneider vom Springer-Verlag für seine ständige Unterstützung während der Arbeit an diesem Lehrbuch. Ich hoffe, dass diese Neuauflage das Interesse vieler Leser findet und die Begeisterung für das faszinierende Gebiet der Astronomie weckt. Der Autor ist dankbar für jeden Hinweis auf Fehler oder mögliche Verbesserungen. Auch Fragen sind willkommen. Jede diesbezügliche e-mail wird so schnell wie möglich beantwortet. Kaiserslautern, im Juni 2009 Wolfgang Demtröder

Vorwort zur zweiten Auflage In den sieben Jahren seit dem Erscheinen der ersten Auflage haben sich sowohl auf dem Gebiet der Kern- und Teilchen-Physik, als auch vor allem in der Astrophysik viele neue Erkenntnisse ergeben, die auf der Entwicklung neuer experimenteller Techniken, der Auswertung experimenteller Daten und auf verfeinerten theoretischen Modellen beruhen. So wurden z. B. mit dem großen Neutrino-Detektor Superkamiokande in Japan die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos nachgewiesen. Das top-quark wurde entdeckt und schloss damit eine Lücke in der vorhergesagten Mitgliederzahl der Quarkfamilien. Die bei der tief-inelastischen Streuung von hochenergetischen Elektronen und Positronen entstehenden Teilchen (sowohl Hadronen als auch Leptonen) wurden inzwischen sehr detailliert untersucht. Die Ergebnisse scheinen bisher alle in Einklang mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu sein. Die Verzahnung von Teilchenphysik und Astrophysik bzw. Kosmologie hat sich als sehr fruchtbar erwiesen für die Entwicklung von genaueren Modellen über die Entstehung des Universums. Die vom Weltraum-Teleskop Hubble aufgenommenen Bilder haben uns ganz neue Einblicke in die Frühzeit unseres Universum beschert, und die Anwendung der adaptiven und aktiven Optik, sowie die Entwicklung der Stern-Interferometrie im optischen und nahen Infrarot-Bereich erlaubten die Messung von Position und Bewegung einzelner Sterne in der Nähe des galaktischen Zentrums. Die Ergebnisse zeigen, dass im Zentrum unserer Galaxie ein riesiges Schwarzes Loch vorhanden ist. Die Auswertung der Parallaxen-Messungen des Satelliten HIPPARCOS konnte die Entfernungsskala innerhalb unserer Milchstrasse korrigieren und damit andere Methoden zur Entfernungsmessung neu kalibrieren. Dem interstellaren und intergalaktischen Medium wurde neue Aufmerksamkeit geschenkt und eine Reihe von Beobachtungstechniken auf seine Untersuchung angewandt. Die Ergebnisse solcher Untersuchungen zeigen die große Bedeutung der Gas- und Staub-Komponente dieses Mediums nicht nur für die Abschwächung und Verfärbung der von intra- und extra-galaktischen Quellen emittierten Strahlung, sondern auch für die Bildung von Galaxien und Sternen. Natürlich konnten nicht alle neuen Entwicklungen ausführlich in dieser neuen Auflage berücksichtigt werden, weil dies den Seitenumfang gesprengt hätte. Einige, dem Autor besonders interessant erscheinenden Ergebnisse werden jedoch hier vorgestellt und zur weiteren Information wurde das Literaturverzeichnis um neu erschienene Bücher oder Zeitschriftenartikel erweitert. Viele Leser haben durch ihre Zuschriften dazu beigetragen, dass eine Reihe von Fehlern der ersten Auflage korrigiert werden und einige Abschnitte deutlicher dargestellt werden konnten. Ihnen sei allen gedankt. Besonderer Dank gebührt den Kollegen Prof. Bleck-Neuhaus, Bremen, und Dr. Grieger, MPI für Plasmaphysik, Garching, die mir ausführliche Korrekturlisten zugesandt haben. Herr Dr. T. Sauerland hat den Teil über Kernphysik genau durchgesehen, mir viele Korrekturvorschläge gemacht und neue Aufgaben mit Lösungen beigetragen. Für die Astrophysik hat Herr Kollege Prof. Mauder, Uni Tübingen, mir eine ausführliche Liste

X Vorwort zur zweiten Auflage von Fehlern und Vorschläge für wichtige neue Gebiete der Astrophysik geschickt, die mitgeholfen haben, diesen Teil des Buches wesentlich zu verbessern. Allen diesen Kollegen sage ich meinen herzlichen Dank. Die drucktechnische Erfassung, das Layout und die Wiedergabe der Abbildungen wurden von der Firma LE-TeX, Leipzig, in kompetenter Weise durchgeführt. Besonders danke ich Herrn Matrisch, der die Herstellung dieser Auflage betreut hat. Zum Schluss möchte ich meiner lieben Frau Harriet danken, dass sie mir durch ihre Hilfe und Unterstützung die Zeit zum Schreiben dieser Neuauflage verschafft hat. Der Autor hofft, dass durch dieses Lehrbuch auch Studenten, die nicht Kern-, Teilchen- oder Astrophysik als Prüfungsfächer gewählt haben, dazu motiviert werden, sich mit diesen faszinierenden Gebieten näher zu befassen. Er wünscht sich kritische Leser, die auch weiterhin durch ihre Zuschriften mit Hinweisen auf Fehler oder mit Verbesserungsvorschlägen zur Optimierung dieses Buches beitragen. Kaiserslautern, im Juli 2004 Wolfgang Demtröder

Vorwort zur ersten Auflage Nachdem im dritten Band die Struktur von Atomen, Molekülen und Festkörpern behandelt wurde, möchte dieser letzte Band des vierbändigen Lehrbuches der Experimentalphysik sowohl in die subatomare Welt der Kerne und Elementarteilchen einführen als auch einen Einblick in die Entstehung der Struktur unseres Universums, also in kosmische Dimensionen, geben. Wie bereits in den ersten drei Bänden soll auch hier das Experiment und seine Möglichkeiten zur Entwicklung eines Modells der Wirklichkeit im Vordergrund stehen. Deshalb werden die verschiedenen experimentellen Techniken der Kern-, Teilchen- und Astrophysik etwas ausführlicher dargestellt. Natürlich kann so ein umfangreiches Gebiet in einer Einführung nicht vollständig behandelt werden. Deshalb müssen selbst interessante Teilbereiche weggelassen werden, die dann in der angegebenen Spezialliteratur genauer dargestellt sind. In diesem Lehrbuch kommt es dem Autor darauf an, die enge Verknüpfung zwischen den auf den ersten Blick so verschieden erscheinenden Gebieten der Physik aufzuzeigen. So hat z. B. die Kernphysik erst ein vertieftes Verständnis erfahren durch die Ergebnisse der Elementarteilchenphysik, die auch die Grundlage des Standardmodells der Astrophysik liefert. Die entartete Materie in weißen Zwergen und Neutronensternen wird erst einer quantitativen Behandlung zugänglich durch die Erkenntnisse der Quantenphysik, und die Physik der Sternatmosphären wäre ohne intensive experimentelle und theoretische Untersuchungen der Atom- und Molekülphysik nicht so detailliert verstanden worden. Der Leser sollte am Ende des Studiums dieses Lehrbuches den Eindruck gewinnen, daß trotz der großen Fortschritte in unserer Erkenntnis der Natur zahlreiche, oft wesentliche offene Fragen bleiben, deren Lösung noch viele Physikergenerationen beschäftigen wird. Physik wird wohl nie ein abgeschlossenes Gebiet werden und die Physiker deshalb auch nicht auf die Rolle von Bewahrern des früher erforschten beschränkt bleiben, wenn dies auch manchmal so prognostiziert wird. Es gibt genügend Beispiele, wo durch unerwartete Ergebnisse von Experimenten bestehende Theorien erweitert oder neue Theorien entwickelt werden mußten. Dies wird wohl auch auf absehbare Zeit so bleiben. Nach der überwiegend positiven Aufnahme der ersten drei Bände wünscht sich der Autor eine ähnliche konstruktive Mitarbeit seiner Leser durch Hinweise auf Fehler oder Verbesserungsmöglichkeiten der Darstellung oder auf neue Ergebnisse, die nicht berücksichtigt wurden. Ich würde mich freuen, wenn dieses hiermit abgeschlossene Lehrbuch für die Kollegen eine Hilfe bei Vorlesungen sein kann sowie dazu beitragen könnte, die Begeisterung und das Verständnis bei Studenten zu wecken und die Physik auch Studierenden von Nachbarfächern nahezubringen. Wie in den vorhergehenden Bänden findet man auch hier viele Beispiele zur Illustration des Stoffes und Aufgaben mit durchgerechneten Lösungen, welche die aktive Mitarbeit des Lesers fördern sollen. Viele Leute haben bei der Fertigstellung geholfen, denen allen mein Dank gebührt. Ich danke allen Kollegen und Institutionen, die mir die Erlaubnis zur Reproduktion von Abbildun-

XII Vorwort zur ersten Auflage gen gegeben haben. Herr Dr. T. Sauerland, Institut für Kernphysik der Universität Bochum, hat mir mehrere Aufgaben mit Lösungen zur Verfügung gestellt, die im Lösungsteil gekennzeichnet sind, wofür ich ihm Dank schulde. Frau S. Heider, die den größten Teil des Manuskripts geschrieben hat, und insbesondere Herrn G. Imsieke, der die Redaktion übernommen hat und viele wertvolle Anregungen und Verbesserungsvorschläge beigesteuert hat, bin ich zu großem Dank verpflichtet. Herrn Th. Schmidt, welcher für den Computersatz und das Layout gesorgt hat, den Illustratoren M. Barth und S. Blaurock sowie den Korrekturlesern S. Scheel und J. Brunzendorf, der viele nützliche Hinweise für den Astrophysikteil gegeben hat, sei herzlich gedankt. Frau A. Kübler und Dr. H.J. Kölsch vom Springer-Verlag haben mich während der gesamten Entstehungszeit tatkräftig unterstützt. Für die stets gute Zusammenarbeit danke ich ihnen sehr. Ein besonderer Dank gilt meiner lieben Frau, die mir während der vierjährigen Arbeit an diesen vier Bänden durch ihre Hilfe die Zeit und Ruhe zum Schreiben gegeben hat und durch ihre Ermunterung dazu beigetragen hat, daß das gesamte Lehrbuch erfolgreich fertiggestellt werden konnte. Kaiserslautern, im November 1997 Wolfgang Demtröder

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 1.1 Was ist Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik?... 2 1.2 Historische Entwicklung der Kern- und Elementarteilchenphysik... 3 1.3 Bedeutung der Kern-, Elementarteilchen- und Astrophysik; offene Fragen 6 1.4 Überblick über das Konzept des Lehrbuches... 7 2 Aufbau der Atomkerne... 9 2.1 Untersuchungsmethoden... 10 2.2 Ladung, Größe und Masse der Kerne... 11 2.3 Massen- und Ladungsverteilung im Kern... 13 2.3.1 Massendichteverteilung... 15 2.3.2 Ladungsverteilung im Kern... 16 2.4 Aufbau der Kerne aus Nukleonen; Isotope und Isobare... 19 2.5 Kerndrehimpulse, magnetische und elektrische Momente... 20 2.5.1 Magnetische Kernmomente... 21 2.5.2 Elektrisches Quadrupolmoment... 24 2.6 Bindungsenergie der Kerne... 26 2.6.1 Experimentelle Ergebnisse... 26 2.6.2 Nukleonenkonfiguration und Pauli-Prinzip... 28 2.6.3 Tröpfchenmodell und Bethe-Weizsäcker-Formel... 30 Zusammenfassung... 33 Übungsaufgaben... 33 3 Instabile Kerne, Radioaktivität... 35 3.1 Stabilitätskriterien; Stabile und instabile Kerne... 36 3.2 Instabile Kerne und Radioaktivität... 39 3.2.1 Zerfallsgesetze... 39 3.2.2 Natürliche Radioaktivität... 41 3.2.3 Zerfallsketten... 42 3.3 Alphazerfall... 44 3.4 Betazerfall... 47 3.4.1 Experimentelle Befunde... 47 3.4.2 Neutrino-Hypothese... 48 3.4.3 Modell des Betazerfalls... 48 3.4.4 Experimentelle Methoden zur Untersuchung des -Zerfalls... 50 3.4.5 Elektroneneinfang... 51 3.4.6 Energiebilanzen und Zerfallstypen... 52 3.5 Gammastrahlung... 52 3.5.1 Beobachtungen... 52 3.5.2 Multipol-Übergänge und Übergangswahrscheinlichkeiten... 53 3.5.3 Konversionsprozesse... 55 3.5.4 Kernisomere... 56 Zusammenfassung... 57 Übungsaufgaben... 57

XIV Inhaltsverzeichnis 4 Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik.. 59 4.1 Teilchenbeschleuniger... 60 4.1.1 Geschwindigkeit, Impuls und Beschleunigung bei relativistischen Energien... 60 4.1.2 Physikalische Grundlagen der Beschleuniger... 62 4.1.3 Elektrostatische Beschleuniger... 64 4.1.4 Hochfrequenz-Beschleuniger... 65 4.1.5 Beschleunigung durch Laser... 67 4.1.6 Kreisbeschleuniger... 68 4.1.7 Stabilisierung der Teilchenbahnen in Beschleunigern... 72 4.1.8 Speicherringe... 76 4.1.9 Die großen Maschinen... 80 4.2 Wechselwirkung von Teilchen und Strahlung mit Materie... 83 4.2.1 Geladene schwere Teilchen... 83 4.2.2 Energieverlust von Elektronen... 86 4.2.3 Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie... 87 4.2.4 Wechselwirkung von Neutronen mit Materie... 89 4.3 Detektoren... 91 4.3.1 Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Geigerzähler... 91 4.3.2 Szintillationszähler... 94 4.3.3 Halbleiterzähler... 96 4.3.4 Spurendetektoren... 97 4.3.5 Čerenkov-Zähler... 101 4.3.6 Detektoren in der Hochenergiephysik... 101 4.4 Streuexperimente... 103 4.4.1 Grundlagen der relativistischen Kinematik... 104 4.4.2 Elastische Streuung... 106 4.4.3 Was lernt man aus Streuexperimenten?... 109 4.5 Kernspektroskopie... 109 4.5.1 Gamma-Spektroskopie... 109 4.5.2 Beta-Spektrometer... 112 Zusammenfassung... 112 Übungsaufgaben... 113 5 Kernkräfte und Kernmodelle... 115 5.1 Das Deuteron... 116 5.2 Nukleon-Nukleon-Streuung... 120 5.2.1 Grundlagen... 120 5.2.2 Spinabhängigkeit der Kernkräfte... 121 5.2.3 Ladungsunabhängigkeit der Kernkräfte... 123 5.3 Isospin-Formalismus... 123 5.4 Meson-Austauschmodell der Kernkräfte... 125 5.5 Kernmodelle... 127 5.5.1 Nukleonen als Fermigas... 127 5.5.2 Schalenmodell... 131 5.6 Rotation und Schwingung von Kernen... 137 5.6.1 Deformierte Kerne... 137 5.6.2 Kernrotationen... 138 5.6.3 Kernschwingungen... 140 5.7 Experimenteller Nachweis angeregter Rotationsund Schwingungszustände... 141 Zusammenfassung... 143 Übungsaufgaben... 144

Inhaltsverzeichnis XV 6 Kernreaktionen... 145 6.1 Grundlagen... 146 6.1.1 Die inelastische Streuung mit Kernanregung... 146 6.1.2 Die reaktive Streuung... 146 6.1.3 Die stoßinduzierte Kernspaltung... 147 6.1.4 Energieschwelle... 147 6.1.5 Reaktionsquerschnitt... 148 6.2 Erhaltungssätze... 149 6.2.1 Erhaltung der Nukleonenzahl... 149 6.2.2 Erhaltung der elektrischen Ladung... 150 6.2.3 Drehimpuls-Erhaltung... 150 6.2.4 Erhaltung der Parität... 150 6.3 Spezielle stoßinduzierte Kernreaktionen... 151 6.3.1 Die ( ; p)-reaktion... 151 6.3.2 Die ( ; n)-reaktion... 152 6.4 Stoßinduzierte Radioaktivität... 152 6.5 Kernspaltung... 154 6.5.1 Spontane Kernspaltung... 154 6.5.2 Stoßinduzierte Spaltung leichter Kerne... 156 6.5.3 Induzierte Spaltung schwerer Kerne... 156 6.5.4 Energiebilanz bei der Kernspaltung... 158 6.6 Kernfusion... 159 6.7 Die Erzeugung von Transuranen... 160 Zusammenfassung... 163 Übungsaufgaben... 164 7 Physik der Elementarteilchen... 167 7.1 Die Entdeckung der Myonen und Pionen... 168 7.2 Der Zoo der Elementarteilchen... 168 7.2.1 Lebensdauer des Pions... 169 7.2.2 Spin des Pions... 171 7.2.3 Parität des -Mesons... 171 7.2.4 Entdeckung weiterer Teilchen... 172 7.2.5 Klassifikation der Teilchen... 174 7.2.6 Quantenzahlen und Erhaltungssätze... 175 7.3 Leptonen... 176 7.4 Das Quarkmodell... 178 7.4.1 Der achtfache Weg... 178 7.4.2 Quarkmodell der Mesonen... 179 7.4.3 Charm-Quark und Charmonium... 180 7.4.4 Quarkaufbau der Mesonen... 182 7.4.5 Quarkaufbau der Baryonen... 183 7.4.6 Farbladungen... 185 7.4.7 Experimentelle Hinweise auf die Existenz von Quarks... 185 7.4.8 Quarkfamilien... 187 7.4.9 Valenzquarks und Seequarks... 188 7.5 Quantenchromodynamik... 188 7.5.1 Gluonen... 189 7.5.2 Quark-Gluonen-Modell der Hadronen, Quarkeinschluss... 190 7.5.3 Die Masse der Quarks... 192 7.6 Starke und schwache Wechselwirkungen... 192 7.6.1 W- und Z-Bosonen als Austauschteilchen der schwachen Wechselwirkung... 193 7.6.2 Reelle W- und Z-Bosonen... 195 7.6.3 Paritätsverletzung bei der schwachen Wechselwirkung... 196

XVI Inhaltsverzeichnis 7.6.4 Die CPT-Symmetrie... 198 7.6.5 Erhaltungssätze, Symmetrien und Stabilität von Teilchen... 200 7.7 Das Standardmodell der Teilchenphysik... 201 7.8 Neue, bisher experimentell nicht bestätigte Theorien... 203 Zusammenfassung... 204 Übungsaufgaben... 205 8 Anwendungen der Kern- und Hochenergiephysik... 207 8.1 Radionuklid-Anwendungen... 208 8.1.1 Strahlendosis, Messgrößen und Messverfahren... 208 8.1.2 Technische Anwendungen... 210 8.1.3 Anwendungen in der Biologie... 212 8.1.4 Anwendungen von Radionukliden in der Medizin... 212 8.1.5 Nachweis geringer Atomkonzentrationen durch Radioaktivierung... 213 8.1.6 Altersbestimmung mit radiometrischer Datierung... 214 8.1.7 Hydrologische Anwendungen... 216 8.2 Anwendungen von Beschleunigern... 216 8.3 Kernreaktoren... 217 8.3.1 Kettenreaktionen... 217 8.3.2 Aufbau eines Kernreaktors... 220 8.3.3 Steuerung und Betrieb eines Kernreaktors... 221 8.3.4 Reaktortypen... 223 8.3.5 Sicherheit von Kernreaktoren... 226 8.3.6 Radioaktiver Abfall und Entsorgungskonzepte... 228 8.3.7 Neue Konzepte... 228 8.3.8 Vor- und Nachteile der Kernspaltungsenergie... 230 8.4 Kontrollierte Kernfusion... 230 8.4.1 Allgemeine Anforderungen... 231 8.4.2 Magnetischer Einschluss... 233 8.4.3 Plasmaheizung... 235 8.4.4 Laserinduzierte Kernfusion... 236 Zusammenfassung... 237 Übungsaufgaben... 237 9 Grundlagen der experimentellen Astronomie und Astrophysik... 239 9.1 Einleitung... 240 9.2 Messdaten von Himmelskörpern... 242 9.3 Astronomische Koordinatensysteme... 242 9.3.1 Das Horizontsystem... 242 9.3.2 Die Äquatorsysteme... 243 9.3.3 Das Ekliptikalsystem... 244 9.3.4 Das galaktische Koordinatensystem... 245 9.3.5 Zeitliche Veränderungen der Koordinaten... 245 9.3.6 Zeitmessung... 246 9.4 Beobachtung von Sternen... 247 9.5 Teleskope... 249 9.5.1 Lichtstärke von Teleskopen... 249 9.5.2 Vergrößerung... 249 9.5.3 Teleskopanordnungen... 250 9.5.4 Große Teleskope... 252 9.5.5 Nachführung... 253 9.5.6 Radioteleskope... 254 9.5.7 Stern-Interferometrie... 256 9.5.8 Röntgenteleskope... 256

Inhaltsverzeichnis XVII 9.5.9 Detektoren für kosmische Gammastrahlung... 257 9.5.10 Nachweis der Kosmischen Höhenstrahlung... 258 9.5.11 Gravitationswellen-Detektoren... 259 9.6 Parallaxe, Aberration und Refraktion... 260 9.7 Entfernungsmessungen... 262 9.7.1 Geometrische Verfahren... 262 9.7.2 Andere Verfahren der Entfernungsmessung... 266 9.8 Scheinbare und absolute Helligkeiten... 266 9.9 Messung der spektralen Energieverteilung... 268 Zusammenfassung... 268 Übungsaufgaben... 269 10 Unser Sonnensystem... 271 10.1 Allgemeine Beobachtungen und Gesetze der Planetenbewegungen... 273 10.1.1 Planetenbahnen; Erstes Kepler sches Gesetz... 273 10.1.2 Zweites und drittes Kepler sches Gesetz... 275 10.1.3 Die Bahnelemente der Planeten... 276 10.1.4 Die Umlaufzeiten der Planeten... 279 10.1.5 Größe, Masse und mittlere Dichte der Planeten... 280 10.1.6 Energiehaushalt der Planeten... 281 10.2 Die inneren Planeten und ihre Monde... 283 10.2.1 Merkur... 283 10.2.2 Venus... 284 10.2.3 Die Erde... 285 10.2.4 Der Erdmond... 287 10.2.5 Mars... 289 10.3 Die äußeren Planeten... 292 10.3.1 Jupiter und seine Monde... 292 10.3.2 Saturn... 295 10.3.3 Die äußersten Planeten... 297 10.4 Kleine Körper im Sonnensystem... 298 10.4.1 Zwergplaneten... 298 10.4.2 Die Planetoiden... 299 10.4.3 Kometen... 302 10.4.4 Meteore und Meteorite... 304 10.5 Die Sonne als stationärer Stern... 305 10.5.1 Masse, Größe, Dichte und Leuchtkraft der Sonne... 305 10.5.2 Mittelwerte für Temperatur und Druck im Inneren der Sonne.. 307 10.5.3 Radialer Verlauf von Druck, Dichte und Temperatur... 308 10.5.4 Energieerzeugung im Inneren der Sonne... 310 10.5.5 Das Sonnen-Neutrino-Problem... 312 10.5.6 Der Energietransport in der Sonne... 314 10.5.7 Die Photosphäre... 315 10.5.8 Chromosphäre und Korona... 319 10.6 Die aktive Sonne... 320 10.6.1 Sonnenflecken... 320 10.6.2 Das Magnetfeld der Sonne... 323 10.6.3 Fackeln, Flares und Protuberanzen... 324 10.6.4 Die pulsierende Sonne, Helioseismologie... 325 Zusammenfassung... 326 Übungsaufgaben... 328

XVIII Inhaltsverzeichnis 11 Geburt, Leben und Tod von Sternen... 329 11.1 Die sonnennächsten Sterne... 330 11.1.1 Direkte Messung von Sternradien... 331 11.1.2 Doppelsternsysteme und die Bestimmung von Sternmassen und Sternradien... 333 11.1.3 Spektraltypen der Sterne... 336 11.1.4 Hertzsprung-Russel-Diagramm... 337 11.2 Die Geburt von Sternen... 339 11.2.1 Das Jeans-Kriterium... 339 11.2.2 Die Bildung von Protosternen... 341 11.2.3 Der Einfluss der Rotation auf kollabierende Gaswolken... 342 11.2.4 Der Weg des Sterns im Hertzsprung-Russel-Diagramm... 343 11.3 Der stabile Lebensabschnitt von Sternen (Hauptreihenstadium)... 344 11.3.1 Der Einfluss der Sternmasse auf Leuchtkraft und Lebensdauer. 344 11.3.2 Die Energieerzeugung in Sternen der Hauptreihe... 345 11.4 Die Nach-Hauptreihen-Entwicklung... 347 11.4.1 Sterne geringer Masse... 348 11.4.2 Die Entwicklung von Sternen mit mittleren Massen... 348 11.4.3 Die Entwicklung massereicher Sterne und die Synthese schwerer Elemente... 349 11.5 Entartete Sternmaterie... 351 11.5.1 Zustandsgleichung entarteter Materie... 352 11.5.2 Weiße Zwerge... 353 11.5.3 Neutronensterne... 356 11.5.4 Pulsare als rotierende Neutronensterne... 359 11.6 Schwarze Löcher... 361 11.6.1 Der Kollaps zu einem Schwarzen Loch... 362 11.6.2 Schwarzschild-Radius... 363 11.6.3 Lichtablenkung im Gravitationsfeld... 364 11.6.4 Zeitlicher Verlauf des Kollapses eines Schwarzen Loches... 365 11.6.5 Die Suche nach Schwarzen Löchern... 366 11.7 Beobachtbare Phänomene während des Endstadiums von Sternen... 366 11.7.1 Pulsationsveränderliche... 367 11.7.2 Novae... 369 11.7.3 Sterne stehlen Masse... 370 11.7.4 Supernovae... 371 11.7.5 Planetarische Nebel und Supernova-Überreste... 374 11.8 Zusammenfassende Darstellung der Sternentwicklung... 375 11.9 Zum Nachdenken... 377 Zusammenfassung... 378 Übungsaufgaben... 379 12 Die Entwicklung und heutige Struktur des Universums... 381 12.1 Experimentelle Hinweise auf ein endliches expandierendes Universum.. 382 12.1.1 Die Expansion des Weltalls... 383 12.1.2 Kosmische Hintergrundstrahlung... 383 12.1.3 Häufigkeitsverhältnisse der leichten Atome... 383 12.1.4 Das Olber sche Paradoxon... 384 12.1.5 Homogenität des Weltalls... 385 12.2 Die Metrik des gekrümmten Raumes... 385 12.3 Das Standardmodell... 387 12.3.1 Strahlungsdominiertes und massedominiertes Universum... 387 12.3.2 Hubble-Parameter und kritische Dichte... 388 12.3.3 Die frühe Phase des Universums... 391 12.3.4 Die Synthese der leichten Elemente... 395

Inhaltsverzeichnis XIX 12.3.5 Übergang vom Strahlungs- zum Masse-dominierten Universum 396 12.3.6 Entkopplung von Strahlung und Materie... 396 12.3.7 Die Bildung von Kugelsternhaufen und Galaxien... 397 12.3.8 Das Alter des Universums... 397 12.3.9 Friedmann-Gleichungen... 398 12.3.10 Die Rotverschiebung... 400 12.3.11 Das Horizontproblem und das Modell des Inflationären Universums... 403 12.4 Bildung und Struktur von Galaxien... 406 12.4.1 Dunkle Materie und Strukturbildung... 406 12.4.2 Was sind Galaxien?... 407 12.4.3 Galaxien-Typen... 407 12.4.4 Aktive Galaxien... 410 12.4.5 Galaxienhaufen und Superhaufen... 411 12.4.6 Kollidierende Galaxien... 412 12.5 Die Struktur unseres Milchstraßensystems... 413 12.5.1 Stellarstatistik und Sternpopulationen... 413 12.5.2 Die Bewegungen der sonnennahen Sterne... 415 12.5.3 Die differentielle Rotation der Milchstraßenscheibe... 416 12.5.4 Die Spiralarme... 419 12.5.5 Kugelsternhaufen... 420 12.5.6 Offene Sternhaufen... 422 12.5.7 Das Zentrum unserer Milchstraße... 422 12.5.8 Schwarzes Loch im Zentrum unserer Milchstraße... 424 12.5.9 Dynamik unserer Milchstraße... 425 12.5.10 Der Raum zwischen den Sternen, Interstellare Materie... 425 12.5.11 Das Problem der Messung kosmischer Entfernungen... 429 12.6 Das dunkle Universum... 430 12.6.1 Dunkle Materie... 431 12.6.2 Dunkle Energie... 431 12.7 Die Entstehung der Elemente... 432 12.8 Die Entstehung unseres Sonnensystems... 434 12.8.1 Kollaps der rotierenden Gaswolke... 435 12.8.2 Die Bildung der Planetesimale... 437 12.8.3 Die Trennung von Gasen und festen Stoffen... 438 12.8.4 Das Alter des Sonnensystems... 438 12.9 Andere Sonnensysteme und Exoplaneten... 441 12.9.1 Beobachtungsmethoden... 441 12.9.2 Bedingungen für die Entwicklung intelligenten Lebens... 442 12.10 Die Entstehung der Erde... 443 12.10.1 Die Separation von Erdkern und Erdmantel... 443 12.10.2 Die Erdkruste... 445 12.10.3 Vulkanismus... 445 12.10.4 Bildung der Ozeane... 446 12.10.5 Die Bildung der Erdatmosphäre... 446 12.10.6 Die Entstehung des Lebens... 447 Zusammenfassung... 448 Übungsaufgaben... 450 13 Lösungen der Übungsaufgaben... 451 Zeittafel zur Kern- und Hochenergiephysik... 495 Zeittafel zur Astronomie... 497

XX Inhaltsverzeichnis Farbtafeln... 501 Literaturverzeichnis... 511 Sachverzeichnis... 519