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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 WiednerRaum 2-131 / 2-125Tel. 0234 [email protected]
Torsten SchröderRaum 2-174Tel. 0234 [email protected]
http://www.ep1.rub.de/ -> Veranstaltungen
Vorlesungstermine
Jeden Dienstag: 12:15 - 14:00jeden Freitag: 10:15 - 12:00
Übungen
Die erfolgreiche Teilnahme an den Übungen ist Voraussetzung für den Schein.
Keine Vorlesung am – 6.11.2015 (Akademische Jahresfeier)– 20.11.2015 (CERN-Fahrt)– 22.12.2015
Letzte Vorlesung: 5.2.2016
Übungen zuEinführung in die Kern- und Teilchenphysik I
160202/160203 - WS 2015/16
Termine und Gruppen
Jeweils Freitags
Anmeldung in VSPL/CampusOffice bis zum 30.10.2015
Übungsleiter
Thomas HeldNB2/[email protected]
Gruppe A: 14.00-16.00 Uhr, NB 4/158 (160203a)Gruppe B: 12.00-14.00 Uhr, NB 5/158 (160203b)Gruppe C: 12.00-14.00 Uhr, NB 3/158 (160203c)Gruppe D: 12.00-14.00 Uhr, NB 2/158 (160203d)
Übungsaufgaben
Ausgabe der Übungszettel jeweils Freitags in der Vorlesung bzw. unter http://www.ep1.rub.de/lehre/veranstaltungen/ws1516/kerne/
Abgabe am folgenden Freitag bis 10.00 Uhr im Kasten “Kernphysik” vor Raum NB2/131
– Ausgabe erstes Übungsblatt– Abgabe– Erster Übungstermin
30.10.201513.11.201513.11.2014 (Grundlagen)
Scheinvergabe
–mindestens 50% der Übungspunkte–2x Vorrechnen
Hinweise zur Bearbeitung der Aufgaben
–Die Lösungen sollen vollständig und nachvollziehbar sein:Nicht nur das Ergebnis, sondern den Rechenweg mit allen relevanten Zwischenschritten, Folgerungen und Annahmen angeben.–Die äußere Form geht in die Bewertung mit ein.
• 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
Einführung
Eigenschaften stabiler Kerne
Rutherford-Streuung & Wirkungsquerschnitt Kernradien & FormfaktorenKernmodelle & Kernkräfte
- Tröpfchen- & Fermigasmodell - Schalenmodell- Kernkräfte
Kernreaktionen & Kernfusion Nukleare Astrophysik & Elemententstehung
α-Zerfallβ-Zerfallγ-ZerfallKernspaltung
Instabile Kerne
Nukleonen
AufbauWechselwirkungStrukturfunktionen
StrahlendosisBiologische WirksamkeitStrahlenbelastung
Anwendungen der Kernphysik
Kernenergie & KernfusionKernspintomografieMedizinische AnwendungenAltersbestimmungen
Radioaktivität
Teilchenphysik
Hadronen & LeptonenWechselwirkungen
- starke Wechselwirkung- Gluonen- die schwachen Vektorbosonen
Werkzeuge der Kern- und Teilchenphysik
BeschleunigerWechselwirkung von Strahlung mit MaterieDetektoren
- geladene Teilchen- γ-Teilchen
Quarkmodell der Hadronen
TeilchenzooSchwere QuarksQuantenChromoDynamik - QCD
Symmetrien
Erhaltungsgrößen und SymmetrienParität, Ladungskonjugation, Zeitumkehr, CPT
Schwache Wechselwirkung
Symmetrieverletzung
Neutrinophysik
Ausblick
Über 50 Physik - Nobelpreise
Breiter Überblick über die wichtigsten Entdeckungen und die Zusammenhänge und sich daruas entwickelnden
Anwendungen.
In dieser Vorlesung werden wir etwa 120 Jahre an Ideen, Theorien und Experimenten bahandeln.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubten die meistenPhysiker, dass die gesamte Physik erforscht ist und durch die Mechanik, Thermodynamik, und die Maxwell-Theorie des Elektromagnetismus vollständig beschrieben wird.
Da es nun nichts mehr Neues in der Physik zu entdecken gibt,
verbleibt uns nur die Aufgabe, alles noch präziser zu messen.
(Lord Kelvin, 1900)
William Thomson (Lord Kelvin)
‘British Association for the Advancement of Science’
Die “Wolken” am Horizont der Physik:
1) Atomistik der Materie?
2) Spektrum der Hohlraumstrahlung?
3) Michelson-Morley Experiment?
Niemand ahnte etwas von den unglaublichen Entdeckungen und Entwicklungen der nächsten 100 Jahre.
Universum = Sonnensystem und die Milchstrasse
Nichts war über Atome, ihre Struktur, und Atomkerne bekannt
Man kannte zwei ‘Felder’: Elektromagnetismus und Gravitation
Niemand wusste wie unsere Sonne ihre Energie produziert
Antworten in 1900 auf die Frage:
Was ist Universum - was ist Materie ?
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
FelderTeilchenElektro-
magnetismus
Spezielle Relativität
QuantenmechanikWelle-Teilchen Dualismus
Spin/Fermion-Boson
Antimaterie
W Bosons
QED
Maxwell
SUSY
Higgs
Superstrings
Universum
NewtonKinetischeGastheorie
Brownsche Bewegung
Allgemeine Relativität
Big BangNukleosynthese
Inflation
Atom
Kern
e-
p+
n
Teilchen-zoo
u
µ -
π
νe
νµ
ντ
d s
c
τ-
τ-
b
t
Galaxien; Ausdehnung des
Universums
Kernfusion
KosmischeHintergrundstrahlung
GUT
ν Masse
QCDFarbladung
Dunkle Energie
Dunkle Materie
W Zg
Photon
SchwacheWW
e+
p-
Fermi Theorie Yukawa
π Austausch
Boltzmann
Radio-aktivität
Technologien
Geiger
Wolken
Blasenkammer
Zyklotron
Detektor Beschleuniger
Höhen-strahlung
Synchrotron
e+e- Ring
p+p- Ring
Strahlkühlung
Vieldrahtkammer
Prozessrechner
WWW
GRID
ModerneDetektoren
P, C, CP Verletzung
STANDARD MODEL
EW Vereinigung
3 Teilchenfamilien
Inhomogenität der Hintergrundstrahlung(
COBE, WMAP)
1895
1905
1975
Elektromagnetismus
StarkeWW
THE DIMENSIONS OF PARTICLE PHYSICS MAY BE INVISIBLE TO THE NAKED EYE, BUT THEY HOLD THE SECRETS TO THE MAGIC OF OUR EVERYDAY WORLD. OVER THE NEXT DECADE, PARTICLE PHYSICISTS EXPECT TO PROBE STILL DEEPER TO ANSWER SOME OF THE MOST BASIC
QUESTIONS PUZZLING SCIENCE, PUZZLING US: WHAT IS OUR PHYSICAL WORLD MADE OF?WHERE DID IT COME
FROM? HOW DOES IT WORK?
Die Dimensionen in der Teilchenphysik mögen für das bloße Auge verborgen sein, dennoch bergen sie die Geheimnisse zum
Verständnis unserer Welt. Teilchenphysiker wollen die ungeklärten Fragen unserer Existenz beantworten:
Woraus besteht unser Universum?Wie ist es entstanden?Wie funktioniert es?
(1025 m)(10-18 m)
Allumfassende und einheitliche Beschreibung der Materie und ihrer Wechselwirkungen
Ziel der Physik:
kleiner größer
Kern/Teilchenphysik beeinflusst vielfältig unser Leben:
• Energiegewinnung• Militärische Anwendungen• Medizinische Anwendungen• Altersbestimmungen
Relativistische Kinematik
Zur Erinnerung (1905):
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
Maxwell - Gleichungen: c = konstantMichelson - Morley : c = konstantEinstein : es gibt keinen Äther
⇒ Einstein entwickelte die spezielle Relativitätstheorie
Relativistischer Impuls eines Teilchens mit Restmasse m:
�
! p = m! v 1− v2 c2
�
γ = 11− 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
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 die 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 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 GeVLänge = 1 GeV-1 = 0.1973 fmZeit = 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:
HyperfeinstrukturKopplung 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