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KZO Wetzikon

Einführung Kern- und Teilchenphysik

Astronomiefreifach HS 2002/2003

Stefan Leuthold

Astronomiefreifach - Einführung Kern- und Teilchenphysik. Folie Nr. 2

HistorischesStandardmodell der TeilchenphysikKern- und Teilchenphysik Konzepte


≈ 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


≈ 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»


≈ 400 v. Chr. Demokrit Von Aristoteles heftig

bekämpft und deshalb 2000 Jahre nicht akzeptiert: Die Idee der Atome von Demokrit.

griech. «atomos» := unteilbar


≈ 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


≈ 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


1895: Roentgen Entdeckung Roentgenstrahlen.

Willhelm Conrad Roentgen


1896: Becquerel Entdeckung der Radioaktivität durch Henri

Becquerel (-, - und -Strahlen). 1898 entdecken Marie und Pierre Curie

Polonium und Radium.

Antoine-Henri Becquerel

Marie und Pierre Curie


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


1911: Rutherford. Ernest Rutherford macht sein

berühmtes Goldfolienexperiment: -Teilchen werden auf eine sehr

dünne Goldfolie geschossen. Aus der Streuung dieser Teilchen wird auf die Ausdehnung des Kerns geschlossen.

Ernest Rutherford


Goldfolienexperiment.


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


Bohr‘sches Atommodell


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.

Werner Heisenberg

ErwinSchrödinger

Wolfgang Pauli


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

LiseMeitner

FritzStrassmann

Otto Hahn

(Chemiker)


1940-2002 Viele kleine Entdeckungen, neue Teilchen. Kern- und Teilchenphysik mit immer besseren

Beschleunigern und Detektoren.

CERN in Genf

ALEPH, Teilchendetektor

am CERN


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 Richard Feynmann

Murray Gell-Mann und sein

berühmtestes Buch




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)


Fundamentale Teilchen: Fermionen.?

LeptonenQuarks

up down Elektron e Neutrino

up charm top down strange bottom

u u c t d s bc t d s b

Elektron Müon Tauon e

e e e e

Familie

Teilchen

Antiteilchen

Aufspaltungnach Ladung

Aufspaltungnach Art

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+.

2/3 - 1/3 - 1 0


Zusammengesetzte Teilchen.

MesonenBaryonen

qqq

Hadronen

Proton: uudNeutron: udd

qqq: Antibaryonen

π+ : ud «Pion»K+ : us «Kaon»

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.

qq


Fundamentale Teilchen: Bosonen.Fermionen wechselwirken untereinander über die sogenannten Austauschteilchen oder Bosonen.

Wechselwirkungbetroffene Teilchen

Bosonen

Gravitation

Elektromagnetische Wechselwirkung

Starke Wechselwirkung

Schwache Wechselwirkung

8 Gluonen g

W+, W–, Z0

Photonen

Gravitonen

Hadronen

(linkshändige Komponenten der) Fermionen

elektrisch geladene Teilchen

Teilchen mit Masse

Reichweite

≤ 1 fm

10-3 fm

∞

∞




Grössenverhältnisse

Atom Kern Proton

Kern

Protonen undNeutronen

Quarks

10-10 m 10-14 m 10-15 m


Beta-Zerfall: Schwache WW.x

t

d

u

W–

e

x

t

udd => uud

n => p

–-Zerfall: n => p + e– + e

Z wird grösser

uud => udd

p => n

+-Zerfall: p => n + e+ + e

Z wird kleiner


Fermigasmodell.

Protonen Neutronen

B

EFp

EFn

B: Bindungsenergie, Efp und Ef

n 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!).


Astronomie ist schön.