Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 – Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite 1 Teilchenphysik 1 Der Beginn der Teilchenphysik: Quanten und Relativität

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Teilchenphysik

Teilchenphysik 1Der Beginn der Teilchenphysik: Quanten und RelativittWellen und (Anti-)Teilchen, Vakuum-FluktuationenQuarks, Leptonen, Generationen und mehrWechselwirkungen, das StandardmodellHiggs-Mechanismus: Analogien, EntdeckungJenseits des Standardmodells und wie geht es weiter... Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Stand der Dinge Ende 19. JahrhundertDie gesamte Physik schien erforschtVollstndig beschrieben durch(Newtonsche) MechanikThermodynamikMaxwellsche Theorie des Elektro-Magnetismus

Kleinere noch unverstandene ProblemeAtomistik der Materie?Atomstruktur, Atomkerne + deren BestandteileSpektrum der Hohlraumstrahlung?Quantenphysik, Wahrscheinlichkeiten, das Ende der klassischen (exakten) PhysikMichelson-Morley Experiment?Konstanz der Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen, Relativittstheorie

William Thomson(Lord Kelvin, 1824 1907)Da es nun nichts mehr Neuesin der Physik zu entdecken gibt,verbleibt uns nur die Aufgabe,alles noch prziser zu messenLord Kelvin, 1900 Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #AtomeBrownsche BewegungRobert Brown beobachtet 1827 die (damals unerklrbare) Zitterbewegung von Pollen und Staubteilchen in Wasser

Albert Einstein erklrt 1905 die Zitterbewegung mit Hilfe der kinetischen Atomtheorie

Francois Perrin besttigt 1907 Einsteins Formel mittels prziser Messungen

Die Existenz von Atomen als physikalische Realitt war bewiesen!Latexkugeln mit 20 nm Durchmesser in Wassser Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Der Beginn der TeilchenphysikEntdeckung des Elektrons 1897Kathodenstrahlen* sind Teilchen mit spezifischem Ladungs-Massen-Verhltnis*spter Elektronen genannt

e-Elektroden D+E: Elektrisches FeldSpulen (senkrecht dazu, nicht sichtbar): Magnetfeld

J. J. Thomson (1856 1940)Nobelpreis 1906

Original Kathodenstrahlrhre Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Die Entdeckung des AtomkernsJ. J. Thomson postulierte 1904 auch das Rosinenkuchen-Modell des AtomsElektronen im Atom wie Rosinen im KuchenteigWiderlegt 1911Geiger und Marsden schieen Alpha-Teilchen auf GoldfolienNur 1 von 8000 Alpha-Teilchen wird rckwrts gestreut (> 90o)nicht vereinbar mit dem Rosinenkuchen-Modell

Rosinenkuchen' Modell des Atoms (1904)e-

Die gesamte Masse des Atoms ist in einem winzigen Atomkern konzentriert!

Damaliges Ergebnis: Gre < 2.7 x 10-14 m (heutiger Wert: 10-14 m)

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Sichtbare Teilchen: Die NebelkammerErfunden 1911 von Charles T. R. Wilson (Nobelpreis 1927)Kammer mit gesttigtem Wasserdampfgeladene Teilchen hinterlassen IonenspurIonen dienen als KondensationskerneSichtbare Spur aus Wassertrpfchen

Ebenfalls ntigHochgeschwindigkeitsphotographieerfunden von Arthur M. Worthington 1908 zur Untersuchung von WassertropfenErzeugung von Ultrakurzzeitblitzen durch FunkenErste Photographien von -Strahlen 1912

Charles T. R. Wilson

UK Science Museum

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Problem um 1900: HohlraumstrahlungEin Hohlraum absorbiert die einfallende Strahlung vllig und sendet diese Energie als thermische Strahlung wieder ausStrahlung eines schwarzen Ofens (Schwarzkrper- oder Hohlraumstrahlung)Bestes klassisches Strahlungsgesetz (Wiensches Strahlungsgesetz) beschreibt Energiespektrum nur nherungsweiseGute bereinstimmung bei kurzen WellenlngenLange Wellenlngen zeigen AbweichungenAndere Anstze beschreiben nur lange Wellenlngen gutRayleigh-Jeans-Gesetzdivergiert bei kurzen Wellenlngen (Ultraviolett Katastrophe)

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Quanten

Max Planck lst das Problem im Dezember 1900, abernur durch einen Akt der Verzweiflung Die Oszillatoren (in der Wand des Hohlraums) knnen nur Energiepakete (Quanten) aussenden: = h hhere Frequenzen entsprechen greren Energiepaketen die bei niedrigen Temperaturen nicht wahrscheinlich sindDas Plancksche Strahlungsgesetz fhrt eine neue fundamentale Konstante ein

h = Plancksches Wirkungsquantum

Max Planck (1858-1947) Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Der therKlassische Annahme im 19. JahrhundertLicht(wellen) breiten sich in einem Medium aus der theranalog zu Schallwellen in LuftMichelson Morley versuchen den therwind zu messendie Erde sollte sich gegenber dem ther bewegendie Lichtgeschwindigkeit sollte richtungsabhngig seinABERkeine nderung der Lichtgeschwindigkeit

Einsteins Postulatedie Lichtgeschwindigkeit ist konstant in allen Bezugssystemen!alle (unbeschleunigten) Bezugssysteme sind quivalent!

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Spezielle Relativitt

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Der PhotoeffektDer photoelektrische Effekt (1900)Kathodenstrahlen (= Elektronen) werden durch Einstrahlung von Licht auf Metalloberflchen erzeugtKlassische Erwartung: Da die Energie des Lichts proportional zum Quadrat der Amplitude ist, sollte die Energie der Elektronen der Intensitt des Lichts proportional sein.ABERDie Energie der Elektronen zeigt nicht die geringste Abhngigkeit von der LichtintensittStattdessen: Die Energie der Elektronen ist proportional der Frequenz des Lichts (Steigung = h )

Philipp Lenard (1862-1947)

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Welle und TeilchenEinstein erklrt den Photoeffekt 1905Licht wird quantenweise emittiert und absorbiertEin Lichtquant gibt alle seine Energie an ein einzelnes Elektron ab experimentell gezeigt durch Compton 1917Licht kann sowohl Welle als auch Teilchen sein mit Impuls pABER AUCH UMGEKEHRT...

Louis de Broglie postuliert 1924 dass Teilchen sich wie Wellen verhalten knnen mit Wellenlnge experimentell gezeigt durch Elektronenbeugung von durch Davisson & Germer 1927

Louis de Broglie (1892-1987)

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Die UnschrferelationHeisenberg 1927:Wenn Teilchen auch Welleneigenschaften haben, dann knnen Ort und Impuls nicht gleichzeitig przise messbar seinOrts-Impuls Unschrfe

Nicht nur Ort + Impuls sind unscharfEin reiner Ton der Frequenz f bekommt eine Unschrfe f, wenn er nur ber das Zeitintervall t erklingt (Fourier-Transformation)(Kreis-)frequenz-Zeit Unschrfe oder mit

Energie-Zeit Unschrfe

Werner Heisenberg (1901-1976)

Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Alles wird WelleBeschreibe das Verhalten von Teilchen durch ihre WellenfunktionWellenfunktionen knnen auch interferierenmathematische Beschreibung durch komplexe Funktion mit Phase

Klassische Energie eines Teilchens mit Impuls p in einem Potential V

Beschreibung durch die Quantenmechanikersetze die klassischen Gren durch Operatoren

Ergebnis: Schrdingergleichung

Erwin Schrdinger (1887-1961) Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Alles nur Wahrscheinlich

Eiskristalle

Orbitale Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Quanten- & Relativittstheorie

Paul Dirac (1902-1984)

= Elektron - Spin upElektron - Spin downPositron - Spin upPositron - Spin down Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #Entdeckung des PositronsDirac hatte recht!Positronnachweis durch Nebelkammergefunden von Carl D. Anderson 1932

6 mm Bleiplatte von oben einlaufendes Positron, 63 MeV 1.5 T Magnetfeld Positron verliert 23 MeV Energie im Blei kleinerer Radius, dies definiert die Flugrichtung!

Carl D. AndersonAnderson fand 1936 auch das Myon,erstes Teilchen der 2. Generationim Standardmodell

Isidor Rabi meinte:Who ordered that? Lehrerfortbildung CERN, Oktober 2015 Teilchenphysik 1 Michael Hauschild (CERN), Seite #AntimaterieSehr populr seit Star Trek (Raumschiff Enterprise) und IlluminatiAntiteilchen verhalten sich wie normale Teilchen mit gleic