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MICHAEL FEINDT
Kerne und TeilchenModerne Experimentalphysik IIIVorlesung 2
KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft
MICHAEL FEINDTINSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK
www.kit.edu
Globale Eigenschaftender Kerne
2.1 Atome
■ Thomson 1897: freie e- in Entladungsröhrenv, q/m durch Lorentzkraft gemessennicht von Apparat abhängig � UNIVERSELL
■ Millikan 1910: |e| durch Tröpfchenversuch
■ Thomson – Atom: diffuse Ladungsverteilunggestorben durch Rutherford, Geiger, Marsden ����
■ Rutherford 1919: α = Helium-Kern
+
e-
KIT-IEKP2 00.00.2011
■ Rutherford 1919: α = Helium-Kern14N + 4He → 17O + p
■ Chadwick 1932: NeutronRückstoßmessungen an H, He, N!Stoßgesetze: mn ≈ mp
Ionenquellen und Massenspektrographen:
���� Kernmassen, Bindungsenergie
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Bestandteil
positiv geladenes Teilchen mit großer Reichweite
vgl. pdx
dEdxdE
α
Das Rutherford Experiment: Entdeckung der Atomkerne
KIT-IEKP3 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Bestätigung durch Messungen von Geiger und Marsden
KIT-IEKP4 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Kin.Energie:
d: kleinster Abstand(distance of closest approach)
Einlaufende-auslaufende Seite symmetrisch!
Kinematik
T = 1 mv2
KIT-IEKP5 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Wenn b=0: Zurücklaufen des Projektils nach Annäherung auf d0Epot =
Zze2
4πε0 ⋅d0
Energieerhaltung:
Epot = T und 1
2mv2d0 = Zze2 / 4πε 0
==> Gesucht: d0 als f(θ)
b: Stoßparameter (impact parameter)
(wenn keine Kraft wirkte)
Ursprung: Kern M, Ze, v=0
Streuwinkel!
T = 12 mv2
KIT-IEKP6 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
2.2 Nuklide
■ Kernladungen: Q = Z · e
■ charakteristische Röntgenstrahlung: 2)1( −∝ ZEKα Mosely – Gesetz
Kα : L → K -SchaleKβ : M → K -Schale
eUhcm /=λ (Grenzwellenlänge)
KIT-IEKP7 00.00.2011
■ Ladung des Protons:
■ Massenzahl: A = N + Z
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
1810|| −<
+e
ee epaus Ablenkung neutraler Moleküle(+ kosmologischen Überlegungen, Strukturbildung etc.)
Neutronen Protonen
Nuklide
gleiches A : Isobaregleiches Z : Isotopegleiches N : Isotone
KIT-IEKP8 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Bindungsenergie B
■ Bindungszustand und Stabilität
■ Massendefekt ≈ O(1%)
■ präzise Messungen durch Atommassen
( )[ ] 21 ),()()(),( cZAMMZAHMZAZB n ⋅−⋅−+⋅=
"Erwartung" "Messung"
KIT-IEKP9 00.00.2011
■ Nuklidbezeichungen:
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
XZ
A
N
entbehrlich
( )[ ]),()()(),( cZAMMZAHMZAZB n ⋅−⋅−+⋅=
eVmM ep 6.13++= Mp = 938.272 MeV
Mn = 939.566 MeV
me = 0,511 MeV
Massenspektrometrie (Aston 1919)
■ Ablenkung in elektrischen und magnetischen Feldern (Lorentzkraft)
■ Doppelfokus – Massenspektrometer, Aston – Massenspektrometer
EQMrE
2v⋅=BQ
MrMv⋅=
(�kinetische Energie) (�Impuls)
KIT-IEKP10 00.00.2011
■ Doppelfokus – Massenspektrometer, Aston – Massenspektrometer
■
■ Auflösung:
■ U: 3000 V , B = 0.12 T , r ≈ 500 mm
■ Eichung durch 12C : atomare Masseneinheit 1u
1 u = 1/12 M(12C) = 931.494 MeV (< mp)
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
2
1
2 101 −≈−=∆MM
rr
QM
BUr
UrB
QM 2
2
22
==
KIT-IEKP11 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Quelle: Mayer-Kuckuk, Kernphysik
Massenspektrometer
KIT-IEKP12 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Einfaches Beispiel:
[Quelle: Povh, Teilchen und Kerne]
Massenbestimmung
■ durch Energiebilanz in Kernreaktionen
γ+→+ HHn 21
thermische Energie ≈ 1/40 eV
MeVHBHM
EE 2.2)(
)(22
2
2
=≈+ γγ
KIT-IEKP13 00.00.2011
■ sonst: 3 bekannte Massen + alle kinetischen Energien messen !
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
HM )(2Rückstoß
Elementhäufigkeiten
■ Sonnensystem:
■ Erde
■ Mond
■ Meteoriten
■ außerhalb: kosmische Strahlung
Proben
KIT-IEKP14 00.00.2011
■ außerhalb: kosmische Strahlung
■ Primärstrahlung
■ Ballon- und Satellitenexperimente
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Elementhäufigkeiten
KIT-IEKP15 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
[Quelle: Povh, Teilchen und Kerne]
Elementsynthese
■ Quarks und Elektronen → HDHeLiBe
::Fe
Urknall-Nukleosynthese
stellareNukleosynthese
KIT-IEKP16 00.00.2011
■ H2O und C : aus Sternenbrennen
■ Pb … : aus Supernovae
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Fe
SiFe::
Supernova-Explosionenaus Urknall
2.3 Bindungsenergie
■ EB ≈ 7-8 MeV / Nukleon
■ Bethe-Weizsäcker (1935): semiempirische Massenformel
epn mZMZMNZAM ⋅+⋅+⋅=),(
Bindung der Nukleonen Aav ⋅− Volumen- av = 16 MeV
Ruhemassen der Teilchen
KIT-IEKP17 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
Nukleonen
ReduktionderBindung
21
31
32
/
4/)(
/2
2
Aa
AZNa
AZa
Aa
Aa
v
a
c
s
v
δ⋅+
−⋅+
⋅+
⋅+
⋅− Volumen-
Oberflächen-
Coulomb-
Asymmetrie-
Paarungs-
energie
av = 16 MeV
as = 17 MeV
ac = 0,7 MeV
aa = 93 MeV
δ = MeV±110
KIT-IEKP18 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
[Quelle: Povh, Teilchen und Kerne]
Tröpfchenmodell
� konstante Dichte:
� kurze Reichweite der Bindungskraft
� Sättigung, nur nächste Nachbarn
� Deformierbarkeit
� Oberflächenspannung
Coulombenergie : Coulombabstoßung der Protonen (alle untereinander)
3RAM ∝∝
322 AR ∝∝
aber: mittlere freie Weglängevon Nukleonen im Kern ist groß
���� Quantenflüssigkeit, "Fermigas"
KIT-IEKP19 00.00.2011
Coulombenergie : Coulombabstoßung der Protonen (alle untereinander)
Paarungsenergie: Spin-Dubletts besonders stabil
Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
31
22)1(53
AZ
RZ
RcZZ
EC =∝→−= hα
−−−−
−+=
KerneuuMeVKerneguug
KerneggfürMeV
11,0
11δ
N Z
g = gerade Anzahlu = ungerade Anzahl
Isobare A=14: Multipletts und Isospin
KIT-IEKP20 00.00.2011 Michael Feindt, Moderne Experimentalphysik III, Vorlesung 2
[Quelle: Povh, Teilchen und Kerne]