einführung in die kern- und teilchenphysik i · nuclear and particle physics / wiley • povh,...
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Einführung in die Kern- und Teilchenphysik I
[email protected] ; 0234 32-23561
Ulrich Wiedner, Inst. für Experimentalphysik I
Überblick (mit einigen Vertiefungen) über das Feld der Kern- und Teilchenphysik und ihre Anwendungen.
Übungen: Thomas Held
[email protected] ; 0234 32-23531
Organisatorisches
Wo sind wir zu finden:
Ulrich Wiedner Raum 2-131 / 2-125 Tel. 0234 32-23561 [email protected]
Thomas Held Raum 2-166 Tel. 0234 32-23539 [email protected]
http://www.ep1.rub.de/ -> Veranstaltungen
Vorlesungstermine
Jeden Dienstag: 12:15 - 14:00 jeden Freitag: 10:15 - 12:00
Übungen
Die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen ist Voraussetzung für den Schein.
Keine Vorlesung am – 10.11.2017 (Akademische Jahresfeier) – 22.12.2017 (Weihnachtsferien)
Letzte Vorlesung: 30.1.2018
• Claude Amsler: Kern- und Teilchenphysik / UTB
• B.R. Martin: Nuclear and Particle Physics / Wiley
• Povh, Rith, Scholz, Zetsche: Teilchen und Kerne / Vieweg
• H. Frauenfelder, E. M. Henley: Teilchen und Kerne. Die Welt der subatomaren Physik / Oldenbourg
• Williams: Nuclear and Particle Physics / Oxford
• Musiol, Ranft, Reif, Seeliger Kern- und Elementarteilchenphysik / Wiley VCH
• Burcham and Jobes: Nuclear and Particle Physics / Prentice Hall
Literatur
... in der Bibliothek vorhanden
Aktuelle Fachartikel zur Kern- und Teilchenphysik
Preprints:
hep-ex, nucl-ex (Experim.) hep-ph (Phänomenologie) nucl-th (Kernphysik-Theor.)
Übersicht über die Teilchenphysik
EinführungEigenschaften stabiler Kerne
Rutherford-Streuung & Wirkungsquerschnitt Kernradien & Formfaktoren Kernmodelle & Kernkräfte
- Tröpfchen- & Fermigasmodell - Schalenmodell - Kernkräfte
Kernreaktionen & Kernfusion Nukleare Astrophysik & Elemententstehung
α-Zerfall β-Zerfall γ-Zerfall Kernspaltung
Instabile Kerne
Strahlendosis Biologische Wirksamkeit Strahlenbelastung
Anwendungen der Kernphysik
Kernenergie & Kernfusion Kernspintomografie Medizinische Anwendungen Altersbestimmungen
Radioaktivität
Werkzeuge der Kern- und TeilchenphysikBeschleuniger Wechselwirkung von Strahlung mit Materie Detektoren
- geladene Teilchen - γ-Teilchen
Strahlendosis Biologische Wirksamkeit Strahlenbelastung
Anwendungen der KernphysikKernenergie & Kernfusion Kernspintomografie Medizinische Anwendungen Altersbestimmungen
Radioaktivität
TeilchenphysikHadronen & Leptonen Wechselwirkungen
- starke Wechselwirkung - Gluonen - die schwachen Vektorbosonen
Quarkmodell der HadronenTeilchenzoo Schwere Quarks QuantenChromoDynamik - QCD
Nukleonen
Aufbau Wechselwirkung Strukturfunktionen
Schwache Wechselwirkung
Symmetrieverletzung
Neutrinophysik
Ausblick
Symmetrien
Erhaltungsgrößen und Symmetrien Parität, Ladungskonjugation, Zeitumkehr, CPT
DieDimensioneninderTeilchenphysikmögenfürdasbloßeAugeverborgensein,dennochbergensiedieGeheimnissezum
VerständnisunsererWelt.TeilchenphysikerwollendieungeklärtenFragenunsererExistenzbeantworten:
WorausbestehtunserUniversum?Wieistesentstanden?Wiefunktioniertes?
Feuer
Erde
Luft
Wasser
(1025 m)(10-18 m)
Allumfassende und einheitliche Beschreibung der Materie und ihrer Wechselwirkungen
Ziel der Physik:
kleiner größer
Die fundamentalen Kräfte
γ
Elektromagnetische Kraft Starke Kraft
Schwache Kraft Gravitation
Entwicklung unseres Universums
Woraus ist es entstanden?Bausteine?
Kräfte?
Kern/Teilchenphysik beeinflusst vielfältig unser Leben:
• Energiegewinnung • Militärische Anwendungen • Medizinische Anwendungen • Altersbestimmungen
Relativistische Kinematik
Zur Erinnerung:
Die Gesetze der Physik gelten in jedem Inertialsystem.
Einsteins erstes Postulat
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die selbe in allen Inertialsystemen und ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle.
Einsteins zweites Postulat
Relativistischer Impuls eines Teilchens mit Restmasse m:
�
! p = m! v 1− v2 c2
�
! p = γm! v
Wenn Arbeit an einem Objekt verrichtet wird, so steigen die Geschwindigkeit und die Energie des Objektes. Nahe der Lichtgeschwindigkeit kann die Geschwindigkeit nicht mehr ansteigen, jedoch die relativistische Masse des Objekts. Dieses legt nahe, dass Masse äquivalent zu Energie ist.
�
! p = mrel! v
�
mrel = m1− v2 c2
γ = 1
1− v2
c2
Die Bewegung aufgrund der Arbeit soll entlang der x-Achse erfolgen. Die Arbeit um das Teilchen auf die Geschwindigkeit v zu bringen ist:
�
W = Fdx = dpdtdx =
i
f
∫i
f
∫ dpdtvdt = vdp
i
f
∫i
f
∫ i: v=0f: v=v
�
d(pv) = pdv+ vdp⇒ vdp = d(pv)− pdv
�
W = d(pv)− pdvi
f
∫i
f
∫
�
d(pv) = pvi
f
∫ |if = (γmv)v = mv2
1− v2 c2
�
ddv
(1− v2 c2 ) = −(v c2 ) / (1− v2 c2 )
�
− pdv =i
f
∫ − mv1− v2 c20
v
∫ dv = mc2 1− v2 c2 |0v = mc2 1− v2 c2 −mc2
222222
2
11
mccvmccv
mvW −−+−
=
Multipliziere den 2. Term mit: 11/1 2222 =−− cvcv
Weil das Teilchen vorher in Ruhe war muss die geleistete Arbeit gleich der kinetischen Energie sein:
(relativistische kinetische Energie)
�
W = mc2
1−v2 c2−mc2
�
Ek = mc2
1−v2 c2−mc2 =γmc2 −mc2 =(γ −1)mc2
�
E = Ek+mc2
Einstein: Energie und Masse sind äquivalent und mc2 ist die Restenergie oder Ruhemasse.
(totale Energie)
Falls keine kinetische Energie vorhanden ist, erhalten wir:
�
E0 =mc2
�
E = γmc2 = mc2
1−v2 c2
Der relativistische Impuls eines Teilchens ist:
quadrieren und addieren von v2 - v2:
�
E2 = p2c2+m2c4oder
�
E = γmc2 = mc2
1−v2 c2
�
E2 = m2c2(v2 − v2+c2 )1−v2 / c2
= p2c2+ m2c4 (1−v2 / c2 )1−v2 / c2
�
p = γmv = mv1−v2 c2
Im ultrarelativistischen Fall erhält man:
Wir benutzen häufig folgende kinematischen Variablen:
Im nichtrelativistischen Fall erhält man die klassische Beziehung:
�
Ek = c ! p
�
Ek = E0 1+(cp)2
E02 −E0 ≈
p2
2m0
= p2c2
2E0
�
β = vc
= γ 2−1γ
�
γ = 11−β2
= EE0
Für die kinetische Energie folgt damit:
�
Ek = (γ −1)E0
Für den relativistischen Impuls gilt:
�
p = mv = m0γv = E0cβγ = βγm0c = E0
cγ 2−1
�
cp = βγE0
Für die Geschwindigkeit folgt:
�
v = pm
= pc2
E= pc2
(cp)2+E02 = c
1+ E0cp⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟ 2
und
v = c kann nur für masselose Teilchen erreicht werden.
�
E = ! p c
Für diese gilt:�
cpE
= 1− E0E
⎛ ⎝ ⎜
⎞ ⎠ ⎟ 2
= Ek (Ek + 2E0 )Ek +E0
Einheiten
Zwei wichtige Naturkonstanten:
Lichtgeschwindigkeit (Vakuum) c ≅ 3×108 m/s
Plancksche Wirkungsquantum h = 6.63 ×10-34 J⋅s
Energien werden oftmals in eV gemessen.
E = mc2 Massen: eV/c2 Impuls: eV/c
Ekin+ 9 eV
Größe K&T-Physik SI-GrößeLänge 1 fm (1 Fermi) 10-15 m
Energie 1 GeV = 109 eV 1,602 × 10-10 J
Masse = E / c2 1 GeV / c2 1,78 × 10-27 kg
ħ = h / 2 π 6,588 × 10-25 GeV s 1,055 × 10-34 J s
c 2,998 × 1023 fm s-1 2,998 × 108 m s-1
ħ·c 0,1973 GeV fm 3,162 × 10-26 J m
Für natürliche Einheiten ħ = c = 1 gilt:
Masse = 1 GeV Länge = 1 GeV-1 = 0.1973 fm
Zeit = 1 GeV-1 = 6,59×10-25 s
Vergleich: Atom und Kern
rAtom ~ 10-10 m rKern ~ (2-8)×10-15 mρAtom ~ 103 kg/m3 ρKern ~ 1017 kg/m3
Planeten Neutronenstern
α = 1/137 αs = 0.2me = 0.511 MeV mN = 939 MeV
Spin:
Hyperfeinstruktur Kopplung von Hülle J und Kern I ΔE = 5.9 × 10-6 eV relativ zur Masse M = 939 × 106 eV (bei H-Atom)
Hadronen - Baryonenstruktur
s = 1/2 s = 3/2
s = 1/2 = Proton m = 939 MeV
s = 3/2 = Δ m = 1232 MeV
τ > 1031 a
τ = 5.6×10−24 s
bestimmend für Schalenstruktur der Kerne, bzw. Masse und Lebensdauer von Hadronen