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SS 2013, HHU Duesseldorf, Prof. Dr. Thomas Heinzel Vorlesung: Kern- und Elementarteilchenphysik, inoffizielle Mitschrift by: Christian Krause, Matr. 1956616 2 AUFBAU DER ATOMKERNE: EINIGE EXPERIMENTELLE FAKTEN – Magnet. Moment: µ p = 1, 41 · 10 −26 J/K – Kernmagneton µ K ≡ 3 2m p = 5, 05 · 10 −27 J/K = 2, 79µ k – “ + “ µ p ↑↑ ⃗s – vgl: Elektron: µ B = 9, 27 · 10 −24 J/K – µ c = µ B · 1, 001 – “Proton“ griesch. “das Erste“, Entdecker Rutherford (1919) – Antiteilchen: Antiproton p, identisch zu p, außer q p = −q p = q e – Entdecker: E. Segré, Chamberlain (1955) (Nobelpreis 1959) • Masse: Zusätzliche Teilchen im Kern, Neutrale Teilchen mit m ≈ m p müssen vorhanden sein Neutron n – q n = 0 – m n = 1, 675 · 10 −27 kg – Spin 1/2 = Fermion – Radius: 1,3 fm – Aufbau: 1 up, 2 down Quarks – m n = 1, 675 · 10 −27 kg – Magnet. Moment: µ n = −9, 66 · 10 −27 J/K = −1, 91µ k – “ - “ µ n ↑↓ ⃗s – Entdecker Chadwick 1932 (Nobelpreis 1935) – m n > m p ⇒ freie Neutronen zerfallen ⇒ Lebensdauer freier Neutronen: τ n =887 sec. – Antiteilchen n (Entdeckt von B.Cork 1956), Unterschied zum Neutron: Chiralität oder Helizität – n: Spin ↑↑ Flugrichtung – n: Spin ↑↓ Flugrichtung, analog bei z.B. Neutrinos Begriffe: Hadron ≡ Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen. (sofern frei beobachtbar) • Aus 3 Quarks: p, n, ... = Baryonen • Aus 1 Quark + 1 Antiquark aufgebaut: Pion π ± , p 0 , ... = Mesonen Das Proton ist das einzige stabile Hadron {p, n} ≡ Nukleonen (Kernbausteine) Nuklid = Systeme aus Nukleonen; Kerne A ZX, X ≡ chem. Element, z = Ordnungszahl, Kernladungszahl, A= Massenzahl = Anzahl Nukleonen, N = A-z = Neutronenzahl Kernmassen und Massendefekt m k = z · m p + (A − z) m n − ∆m }{{} Massendefekt ∆m ≡ E B Bindungsenergie: ∆m · c 2 = E B wird bei Bildung des Nuklids aus p,n abgestrahlt. Bsp: 12 6 C häufigstes Kohlenstoff-Isotop E(6p + 6n) = 1, 81 · 10 −9 J = 11, 283GeV E( 12 6 C) = 1, 79 · 10 −9 J = 11, 194GeV ⇒ E B ( 12 6 C) = 89MeV Seite 8
SS 2013, HHU Duesseldorf, Prof. Dr. Thomas Heinzel Vorlesung: Kern- und Elementarteilchenphysik, inoffizielle Mitschrift by: Christian Krause, Matr. 1956616 2 AUFBAU DER ATOMKERNE: EINIGE EXPERIMENTELLE FAKTEN Anmerkung: Atomare Masseneinheit (amu): 1n = 1/12m( 12 6 C) = 1, 6605 · 10 −27 Def: E b ≡ E B A Bindungsenergie pro Nukleon = “Ionisationsenergie“ Maß für Stabilität des Nuklids: E b ( 12 6 C) = 7, 6MeV ⇒ Eisen ist das stabilste Nuklid ⇒ Allgemein Energieskalen sind im Vergleich zur Atomphysik ca. 6-7 Grössenordnungen höher. ⇒ E = hν Atom: 1ev = sichtbares Licht, λ ≈ 1µm Kern: 10Mev = harte Röntgenstrahlung (γ-Strahlung), λ ≈ 0, 1 − 1pm Größe: Näherung: Nuklid ≈ Kugel, hart r 0 = Radius Nukleon = 1,3 fm → r K = r 0 3 √ A 10fm∀ Nuklid m k Dichte ρ ≈ 4/3πrk 3 ≈ 2 · 10 17 kg/m 3 → Kugel aus Erdmasse r E 240m Messung von r k : Rutherford Experiment aus Übergang von dσ dR∣ → dσ ∣ Coulomb dR ∣ starke W W 2.3 Massen - bzw. Ladungsverteilung im Kern Ladungsverteilung: ρ(⃗r) Bestimmung: Analog zur Kristall-Strukturbestimmung durch Röntgenstrahlung, λ < charakteristischer Abstand der Teilchen im Target Kristall: a: Gitterkonstante, Kern r 0 ⇒ Intensitätsverteilung der gestreuten Welle = Fourier-Transformierte der Struktur → als Projektil: Es bieten sich e − an: Keine Starke WW, Coulomb-WW, können gut auf hinreichend kleine λ beschleunigt werden. λ de Broglie (e − ) 1, 3fm = h p Relativistische Energie: E = √ c 2 p 2 + m 2 ec 4 ≈ √ c 2 p 2 mit m e c 2 = 511keV
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