Einführung Kern- und Teilchenphysik

1. Einführung Kern- und Teilchenphysik Astronomiefreifach HS 2002/2003 Stefan Leuthold

2. HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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.

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.

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.

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.

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.

8. 1895: Roentgen • Entdeckung Roentgenstrahlen. Willhelm Conrad Roentgen Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

9. 1896: Becquerel • Entdeckung der Radioaktivität durch Henri Becquerel (a-,  - und  -Strahlen). • 1898 entdecken Marie und Pierre Curie Polonium und Radium. Antoine-Henri Becquerel Marie und Pierre Curie Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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.

11. 1911: Rutherford. • Ernest Rutherford macht sein berühmtes Goldfolienexperiment: • a-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.

12. Goldfolienexperiment. Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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.

14. Bohr‘sches Atommodell Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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. Erwin Schrödinger Wolfgang Pauli Werner Heisenberg Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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 Fritz Strassmann Otto Hahn (Chemiker) Lise Meitner Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

17. 1940-2002 • Viele kleine Entdeckungen, neue Teilchen. • Kern- und Teilchenphysik mit immer besseren Beschleunigern und Detektoren. ALEPH, Teilchendetektor am CERN CERN in Genf Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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 sein berühmtestes Buch Murray Gell-Mann und Richard Feynmann Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

19. HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

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.

21. e m t ne nm nt u c t d s b Fundamentale Teilchen: Fermionen. ? Aufspaltung nach Art Quarks Leptonen 2/3 - 1/3 - 1 0 Aufspaltung nach Ladung up down Elektron e Neutrino n up charm top down strange bottom Elektron Müon Tauon ne nm nt Familie TeilchenAntiteilchen u c t d s b e m t ne nm nt 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+. Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

22. qq π+ : ud «Pion» K+ : us «Kaon» qqq: Antibaryonen Zusammengesetzte Teilchen. Hadronen Baryonen Mesonen qqq Proton: uud Neutron: udd 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.

23. betroffene Teilchen Bosonen Reichweite Wechselwirkung Starke Wechselwirkung 8 Gluonen g Hadronen ≤ 1 fm Schwache Wechselwirkung W+, W–, Z0 (linkshändige Komponenten der) Fermionen 10-3 fm Elektromagnetische Wechselwirkung Photonen g elektrisch geladene Teilchen ∞ Gravitation Gravitonen Teilchen mit Masse ∞ Fundamentale Teilchen: Bosonen. Fermionen wechselwirken untereinander über die sogenannten Austauschteilchen oder Bosonen. Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

24. HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

25. Grössenverhältnisse Atom Kern Proton Kern Quarks Protonen und Neutronen 10-10 m 10-14 m 10-15 m Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

26. Beta-Zerfall: Schwache WW. e x x W– d  u t t udd => uud n => p –-Zerfall: n => p + e– + ne Z wird grösser uud => udd p => n +-Zerfall: p => n + e+ + ne Z wird kleiner Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.

27. Fermigasmodell. B EFp EFn Protonen Neutronen B: Bindungsenergie, Efp und Efn 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.

28. Astronomie ist schön. Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik.