einführung kern- und teilchenphysik
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KZO Wetzikon
Einführung Kern- und Teilchenphysik
Astronomiefreifach HS 2002/2003
Stefan Leuthold
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 2
HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 3
≈ 600 v. Chr. Thales von Milet Entstehung der «Philosophie»
und eigentlicher Beginn der «Wissenschaft».
Thales von Milet fragt sich als einer der ersten, woraus Materie besteht, deklariert Wasser als den Grundstoff aller Materie.
Grundstoffe: Heraklit meint Feuer, Anaximander das Apeiron (Unendliches, Formloses), Anaximenes Luft
Thales von Milet
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 4
≈ 500 v. Chr. Empedokles «Die Vielfalt unserer Welt erklärt sich aus einer
Mischung der vier Elemente Erde, Luft, Wasser und Feuer zu unterschiedlichen Teilen.»
:= «AristotelischeElemente»
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 5
≈ 400 v. Chr. Demokrit Von Aristoteles heftig
bekämpft und deshalb 2000 Jahre nicht akzeptiert: Die Idee der Atome von Demokrit.
griech. «atomos» := unteilbar
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 6
≈ 1750: Maxwell, Boltzmann Daniel Bernoulli, Rudolf Julius
Emanuel Clausius, James Clerk Maxwell und Ludwig Eduard Boltzmann stellen eine Gastheorie auf, welche auf dem Atommodell beruht und sich als richtig erweist. Ludwig E. Boltzmann
James Clerk Maxwell
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 7
≈ 1800: Lavoisier, Dalton Antoine Laurent Lavoisier
erwähnte chemische Elemente in seiner «Traité élémentaire de chimie».
John Dalton: «Die kleinsten Einheiten jedes Stoffes bestehen aus wenigen Atomen, und alle Atome eines Elements gleichen einander.»
Antoine Lavoisier
John Dalton
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 8
1895: Roentgen Entdeckung Roentgenstrahlen.
Willhelm Conrad Roentgen
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 9
1896: Becquerel Entdeckung der Radioaktivität durch Henri
Becquerel (-, - und -Strahlen). 1898 entdecken Marie und Pierre Curie
Polonium und Radium.
Antoine-Henri Becquerel
Marie und Pierre Curie
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 10
1900: Planck/Thomson Max Planck postuliert, dass Strahlungsenergie
nur in einzelnen Quanten (:= Energiepäckchen) abgegeben oder aufgenommen werden kann.
Joseph John Thomson fand das Elektron 1897, und 1900 wurde ihm klar, dass Atome positive und negative Ladungen haben mussten.
Sir J. J. Thomson Max Planck
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 11
1911: Rutherford. Ernest Rutherford macht sein
berühmtes Goldfolienexperiment: -Teilchen werden auf eine sehr
dünne Goldfolie geschossen. Aus der Streuung dieser Teilchen wird auf die Ausdehnung des Kerns geschlossen.
Ernest Rutherford
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 12
Goldfolienexperiment.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 13
1913: Bohr Niels Bohr erklärt das Bohr‘sche Atommodell,
mit dessen Hilfe die Enstehung von Spektrallinien erklärt werden kann: Elektronen bewegen sich auf Schalen um den Kern.
Niels Bohr
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 14
Bohr‘sches Atommodell
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 15
1920er Jahre 1924: Louis de Broglie postuliert Wellennatur
aller Teilchen (1925 e–-Wellen gefunden) 1925 entdeckt Wolfgang Pauli das
Ausschliessungsprinzip, die Grundlage des modernen Periodensystems
1926/27 berechnen Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg die Quantenmechanik.
Werner Heisenberg
ErwinSchrödinger
Wolfgang Pauli
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 16
1930er Jahre 1932 findet James Chadwick das Neutron 1932 sagt Wolfgang Pauli das Neutrino voraus 1938 erklären Lise Meitner und Otto Robert
Frisch aus dem Exil Fritz Strassmann und Otto Hahn die Kernspaltung
LiseMeitner
FritzStrassmann
Otto Hahn
(Chemiker)
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 17
1940-2002 Viele kleine Entdeckungen, neue Teilchen. Kern- und Teilchenphysik mit immer besseren
Beschleunigern und Detektoren.
CERN in Genf
ALEPH, Teilchendetektor
am CERN
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 18
1968: Gell-Mann Murray Gell-Mann erklärt, dass Nukleonen aus
drei Quarks bestehen - 1995 wird das letzte Quark gefunden.
Zuvor postuliert Richard P. Feynman die «Partonen».
Murray Gell-Mann und Richard Feynmann
Murray Gell-Mann und sein
berühmtestes Buch
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 19
HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 20
Standardmodell der Teilchenphysik.Das Standardmodell der Elementarteilchen-physik muss folgende Fragen beantworten:
Woraus besteht die Materie? => Fundamentale Teilchen
Was hält diese Teilchen zusammen? => Wechselwirkungen (Kräfte)
Wie breiten sich diese Wechselwirkungen aus? (z. B. Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungs-geschwindigkeit aller elektromagnetischen Wellen)
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 21
Fundamentale Teilchen: Fermionen.?
LeptonenQuarks
up down Elektron e Neutrino
up charm top down strange bottom
u u c t d s bc t d s b
Elektron Müon Tauon e
e e e e
Familie
Teilchen
Antiteilchen
Aufspaltungnach Ladung
Aufspaltungnach Art
Eingekreist ist die elektrische Ladung des Teilchens in Einheiten der Elementarladung e = 1,60218 · 10–19 Coulomb. Alle Teilchen einer Familie haben dieselbe elektrische Ladung, aber unterschiedliche Massen, Teilchen und Antiteilchen haben gleiche Masse, aber entgegengesetzte elektrische Ladung. Das Antiteilchen des Elektrons heisst Positron, oft schreibt man e– und e+.
2/3 - 1/3 - 1 0
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 22
Zusammengesetzte Teilchen.
MesonenBaryonen
qqq
Hadronen
Proton: uudNeutron: udd
qqq: Antibaryonen
π+ : ud «Pion»K+ : us «Kaon»
Hadronen sind Teilchen, welche aus Quarks bestehen und durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten werden (Hadronen heisst «die Starken» auf griechisch, Wechselwirkungen siehe nächste Folie). Baryonen bestehen aus drei Quarks, Mesonen aus einem Quark und einem Antiquark. Das Proton mit Ladung 1 besteht zum Beispiel aus zwei up-Quarks und einem down-Quark.
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 23
Fundamentale Teilchen: Bosonen.Fermionen wechselwirken untereinander über die sogenannten Austauschteilchen oder Bosonen.
Wechselwirkungbetroffene Teilchen
Bosonen
Gravitation
Elektromagnetische Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung
Schwache Wechselwirkung
8 Gluonen g
W+, W–, Z0
Photonen
Gravitonen
Hadronen
(linkshändige Komponenten der) Fermionen
elektrisch geladene Teilchen
Teilchen mit Masse
Reichweite
≤ 1 fm
10-3 fm
∞
∞
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 24
HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 25
Grössenverhältnisse
Atom Kern Proton
Kern
Protonen undNeutronen
Quarks
10-10 m 10-14 m 10-15 m
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 26
Beta-Zerfall: Schwache WW.x
t
d
u
W–
e
x
t
udd => uud
n => p
–-Zerfall: n => p + e– + e
Z wird grösser
uud => udd
p => n
+-Zerfall: p => n + e+ + e
Z wird kleiner
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 27
Fermigasmodell.
Protonen Neutronen
B
EFp
EFn
B: Bindungsenergie, Efp und Ef
n sind die sogenannten «Fermi-Kanten». Nach dem Pauliprinzip werden je zwei Protonen bzw. Neutronen auf demselben Energieniveau liegen.Damit es keinen Beta-Zerfall gibt, müssen die beiden oberen Fermi-Kanten auf dem selben Niveau liegen. Da es mehr Protonen als Neutronen gibt in den meisten Atomen, liegt die untere Fermi-Kante für Neutronen tiefer als für Protonen: Protonen sind im mittel schwächer gebunden (klar wegen gegenseitiger Abstossung!).
Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 28
Astronomie ist schön.
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