Experimentalphysik: Kern-, Teilchen- und Astrophysik

528 Pages·2004·21.22 MB·German

by  Wolfgang Demtröder

Springer-Lehrbuch
Experimentalphysik
Band1
MechanikundWärme
3.Auflage
ISBN3-540-43559-x
Band2
ElektrizitätundOptik
3.Auflage
ISBN3-540-20210-2
Band3
Atome,MoleküleundFestkörper
2.Auflage
ISBN3-540-66790-3
Band4
Kern-,Teilchen-undAstrophysik
2.Auflage
ISBN3-540-21451-8
Wolfgang Demtröder
Experimentalphysik 4
Kern-, Teilchen- und Astrophysik
Zweite,überarbeiteteAuflage
Mit543,meistzweifarbigenAbbildungen,
15Farbtafeln,62Tabellen,
zahlreichendurchgerechnetenBeispielen
und104Übungsaufgaben
mitausführlichenLösungen
123
ProfessorDr.WolfgangDemtröder
UniversitätKaiserslautern
FachbereichPhysik
67663Kaiserslautern,Deutschland
e-mail:[email protected]@rhrk.uni-kl.de
URL:http://www.physik.uni-kl.de/w_demtro/w_demtro.html
ISBN3-540-21451-8 2.Auflage
Springer-VerlagBerlinHeidelbergNewYork
ISBN3-540-42661-2undISBN3-540-57097-7 1.Auflage
SpringerBerlinHeidelbergNewYork
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Vorwort zur ersten Auflage
Nachdem im dritten Band die Struktur von Atomen, Molekülen und Festkörpern
behandelt wurde, möchte dieser letzte Band des vierbändigen Lehrbuches der Ex-
perimentalphysik sowohl in die subatomare Welt der Kerne und Elementarteilchen
einführenalsaucheinenEinblickindieEntstehungderStrukturunseresUniversums,
alsoinkosmischeDimensionen,geben.
Wie bereits in den ersten drei Bänden soll auch hier das Experiment und seine
Möglichkeiten zur Entwicklung eines Modells der Wirklichkeit im Vordergrund
stehen. Deshalb werden die verschiedenen experimentellen Techniken der Kern-,
Teilchen-undAstrophysiketwasausführlicherdargestellt.
NatürlichkannsoeinumfangreichesGebietineinerEinführungnichtvollstän-
digbehandeltwerden.DeshalbmüssenselbstinteressanteTeilbereicheweggelassen
werden,diedanninderangegebenenSpezialliteraturgenauerdargestelltsind.
IndiesemLehrbuchkommtesdemAutordaraufan,dieengeVerknüpfungzwi-
schen den auf den ersten Blick so verschieden erscheinenden Gebieten der Physik
aufzuzeigen. So hat z.B. die Kernphysik erst ein vertieftes Verständnis erfahren
durch die Ergebnisse der Elementarteilchenphysik, die auch die Grundlage des
StandardmodellsderAstrophysikliefert.
Die entartete Materie in weißen Zwergen und Neutronensternen wird erst einer
quantitativenBehandlungzugänglichdurchdieErkenntnissederQuantenphysik,und
die Physik der Sternatmosphären wäre ohne intensive experimentelle und theoreti-
sche Untersuchungen der Atom- und Molekülphysik nicht so detailliert verstanden
worden.
DerLesersollteamEndedesStudiumsdiesesLehrbuchesdenEindruckgewin-
nen,daßtrotzdergroßenFortschritteinunsererErkenntnisderNaturzahlreiche,oft
wesentliche offene Fragen bleiben, deren Lösung noch viele Physikergenerationen
beschäftigenwird.PhysikwirdwohlnieeinabgeschlossenesGebietwerdenunddie
PhysikerdeshalbauchnichtaufdieRollevonBewahrerndesfrühererforschtenbe-
schränktbleiben,wenndiesauchmanchmalsoprognostiziertwird.Esgibtgenügend
Beispiele,wodurchunerwarteteErgebnissevonExperimentenbestehendeTheorien
erweitert oder neue Theorien entwickelt werden mußten. Dies wird wohl auch auf
absehbareZeitsobleiben.
Nach der überwiegend positiven Aufnahme der ersten drei Bändewünscht sich
der Autor eine ähnliche konstruktive Mitarbeit seiner Leser durch Hinweise auf
FehleroderVerbesserungsmöglichkeitenderDarstellungoderaufneueErgebnisse,
dienichtberücksichtigtwurden.
Ich würde mich freuen, wenn dieses hiermit abgeschlossene Lehrbuch für die
Kollegen eine Hilfe bei Vorlesungen sein kann sowie dazu beitragen könnte, die
BegeisterungunddasVerständnisbeiStudentenzuweckenunddiePhysikauchStu-
VI VorwortzurerstenAuflage
dierendenvonNachbarfächernnahezubringen.WieindenvorhergehendenBänden
findet man auch hier viele Beispiele zur Illustration des Stoffes und Aufgaben mit
durchgerechnetenLösungen,welchedieaktiveMitarbeitdesLesersfördernsollen.
VieleLeutehabenbeiderFertigstellunggeholfen,denenallenmeinDankgebührt.
IchdankeallenKollegenundInstitutionen,diemirdieErlaubniszurReproduktion
vonAbbildungengegebenhaben.HerrDr.T.Sauerland,InstitutfürKernphysikder
UniversitätBochum,hatmirmehrereAufgabenmitLösungenzurVerfügunggestellt,
dieimLösungsteilgekennzeichnetsind,wofürichihmDankschulde.FrauS.Hei-
der,diedengrößtenTeildesManuskriptsgeschriebenhat,undinsbesondereHerrn
G. Imsieke, der die Redaktion übernommen hat und viele wertvolle Anregungen
und Verbesserungsvorschläge beigesteuert hat, bin ich zu großem Dank verpflich-
tet. HerrnTh. Schmidt, welcher fürden Computersatz und das Layout gesorgt hat,
denIllustratorenM.BarthundS.BlaurocksowiedenKorrekturlesernS.Scheelund
J. Brunzendorf, der viele nützliche Hinweise für den Astrophysikteil gegeben hat,
sei herzlich gedankt. FrauA. Kübler und Dr.H.J. Kölsch vom Springer-Verlag ha-
benmichwährenddergesamtenEntstehungszeittatkräftigunterstützt.Fürdiestets
guteZusammenarbeitdankeichihnensehr.EinbesondererDankgiltmeinerlieben
Frau,diemirwährenddervierjährigenArbeitandiesenvierBändendurchihreHilfe
die Zeit und Ruhe zum Schreiben gegeben hat und durch ihre Ermunterung dazu
beigetragenhat,daßdasgesamteLehrbucherfolgreichfertiggestelltwerdenkonnte.
Kaiserslautern,
imNovember1997 WolfgangDemtröder
Vorwort zur zweiten Auflage
IndensiebenJahrenseitdemErscheinendererstenAuflagehabensichsowohlauf
demGebietderKern-undTeilchen-Physik,alsauchvoralleminderAstrophysikviele
neueErkenntnisseergeben,dieaufderEntwicklungneuerexperimentellerTechniken,
derAuswertungexperimentellerDatenundaufverfeinertentheoretischenModellen
beruhen. So wurden z.B. mit dem großen Neutrino-Detektor Superkamiokande in
Japan die Umwandlung von Myon-Neutrinos in Elektron-Neutrinos nachgewiesen.
Dastop-quarkwurdeentdeckt undschloss damit eine Lückeindervorhergesagten
MitgliederzahlderQuarkfamilien.Diebeidertief-inelastischenStreuungvonhoch-
energetischen Elektronen und Positronen entstehenden Teilchen (sowohl Hadronen
als auch Leptonen) wurden inzwischen sehr detailliert untersucht. Die Ergebnisse
scheinen bisher alle in Einklang mit dem Standardmodell der Teilchenphysik zu
sein.
DieVerzahnungvonTeilchenphysikundAstrophysikbzw.Kosmologiehatsich
als sehr fruchtbar erwiesen für die Entwicklung von genaueren Modellen über die
EntstehungdesUniversums.DievomWeltraum-TeleskopHubbleaufgenommenen
BilderhabenunsganzneueEinblickeindieFrühzeitunseresUniversumbeschert,und
dieAnwendungderadaptivenundaktivenOptik,sowiedieEntwicklungderStern-
InterferometrieimoptischenundnahenInfrarot-BereicherlaubtendieMessungvon
PositionundBewegungeinzelnerSterneinderNähedesgalaktischenZentrums.Die
Ergebnisse zeigen, dass im Zentrum unserer Galaxie ein riesiges Schwarzes Loch
vorhandenist.
Die Auswertung der Parallaxen-Messungen des Satelliten HIPPARCOS konnte
die Entfernungsskala innerhalb unserer Milchstrasse korrigieren und damit andere
Methoden zur Entfernungsmessung neu kalibrieren. Dem interstellaren und inter-
galaktischen Medium wurde neue Aufmerksamkeit geschenkt und eine Reihe von
BeobachtungstechnikenaufseineUntersuchungangewandt.DieErgebnissesolcher
UntersuchungenzeigendiegroßeBedeutungderGas-undStaub-Komponentedie-
ses Mediums nicht nur für die Abschwächung und Verfärbung der von intra- und
extra-galaktischenQuellenemittiertenStrahlung,sondernauchfürdieBildungvon
GalaxienundSternen.
Natürlich konnten nicht alle neuen Entwicklungen ausführlich in dieser neuen
Auflage berücksichtigt werden, weil dies den Seitenumfang gesprengt hätte. Ei-
nige,demAutorbesondersinteressanterscheinendenErgebnissewerdenjedochhier
vorgestellt und zur weiteren Information wurde das Literaturverzeichnis um neu
erschieneneBücheroderZeitschriftenartikelerweitert.
Viele Leser haben durch ihre Zuschriften dazu beigetragen, dass eine Reihe
von Fehlern der ersten Auflage korrigiert werden und einige Abschnitte deutlicher
dargestelltwerdenkonnten.
VIII VorwortzurzweitenAuflage
Ihnen sei allen gedankt. Besonderer Dank gebührt den Kollegen Prof. Bleck-
Neuhaus, Bremen, und Dr. Grieger, MPI für Plasmaphysik, Garching, die mir
ausführliche Korrekturlisten zugesandt haben. Herr Dr. T. Sauerland hat den Teil
über Kernphysik genau durchgesehen, mir viele Korrekturvorschläge gemacht und
neue Aufgaben mit Lösungen beigetragen. Für die Astrophysik hat Herr Kollege
Prof.Mauder,UniTübingen,mireineausführlicheListevonFehlernundVorschläge
fürwichtigeneueGebietederAstrophysikgeschickt,diemitgeholfenhaben,diesen
Teil des Buches wesentlich zu verbessern. Allen diesen Kollegen sage ich meinen
herzlichenDank.
Die drucktechnische Erfassung, das Layout und die Wiedergabe der Abbildun-
gen wurden von der Firma LE-TeX, Leipzig, in kompetenter Weise durchgeführt.
BesondersdankeichHerrnMatrisch,derdieHerstellungdieserAuflagebetreuthat.
ZumSchlussmöchteichmeinerliebenFrauHarrietdanken,dasssiemirdurch
ihre Hilfe und Unterstützung die Zeit zum Schreiben dieser Neuauflage verschafft
hat.
Der Autor hofft, dass durch dieses Lehrbuch auch Studenten, die nicht Kern-,
Teilchen-oderAstrophysikalsPrüfungsfächergewählthaben,dazumotiviertwerden,
sichmitdiesenfaszinierendenGebietennäherzubefassen.Erwünschtsichkritische
Leser,dieauchweiterhindurchihreZuschriftenmitHinweisenaufFehlerodermit
VerbesserungsvorschlägenzurOptimierungdiesesBuchesbeitragen.
Kaiserslautern,
imJuli2004 WolfgangDemtröder
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 WasistKern-,Elementarteilchen-undAstrophysik? ............. 1
1.2 HistorischeEntwicklungderKern-undElementarteilchenphysik . 2
1.3 BedeutungderKern-,Elementarteilchen-undAstrophysik;
offeneFragen ................................................ 6
1.4 ÜberblicküberdasKonzeptdesLehrbuches .................... 7
2. AufbauderAtomkerne
2.1 Untersuchungsmethoden ...................................... 9
2.2 Ladung,GrößeundMassederKerne ........................... 10
2.3 Massen-undLadungsverteilungimKern ....................... 13
2.3.1 Massendichteverteilung ............................... 14
2.3.2 LadungsverteilungimKern ............................ 15
2.4 AufbauderKerneausNukleonen;IsotopeundIsobare ........... 18
2.5 Kerndrehimpulse,magnetischeundelektrischeMomente ........ 20
2.5.1 MagnetischeKernmomente ........................... 20
2.5.2 ElektrischesQuadrupolmoment ........................ 23
2.6 BindungsenergiederKerne ................................... 26
2.6.1 ExperimentelleErgebnisse ............................ 26
2.6.2 NukleonenkonfigurationundPauli-Prinzip .............. 27
2.6.3 TröpfchenmodellundBethe–Weizsäcker-Formel ........ 29
Zusammenfassung .................................................. 32
Übungsaufgaben ................................................... 33
3. InstabileKerne,Radioaktivität
3.1 Stabilitätskriterien;StabileundinstabileKerne .................. 36
3.2 InstabileKerneundRadioaktivität ............................. 38
3.2.1 Zerfallsgesetze ....................................... 39
3.2.2 NatürlicheRadioaktivität .............................. 41
3.2.3 Zerfallsketten ........................................ 43
3.3 Alphazerfall ................................................. 43
3.4 Betazerfall .................................................. 46
3.4.1 ExperimentelleBefunde .............................. 47
3.4.2 Neutrino-Hypothese .................................. 48
3.4.3 ModelldesBetazerfalls ............................... 49
3.4.4 ExperimentelleMethodenzurUntersuchungdesβ-Zerfalls 51