Kernphysik: Eine Einführung

418 Pages·2001·13.83 MB·German

by  Professor Dr. Klaus Bethge, Dr. Gertrud Walter, Dr. Bernhard Wiedemann (auth.)

Springer-Lehrbuch
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Klaus Bethge Gertrud Walter
Bernhard Wiedemann
Kernphysik
Eine Einführung
Zweite, aktualisierte und erweiterte Auflage
Mit 200 Abbildungen, einer farbigen Klapptafel,
25 Tabellen, 100 übungen mit ausführlichen Lösungen
sowie Kästen zur Erläuterung
und einem historischen überblick
über die Entwicklung der Kern- und Elementarteilchenphysik
' Springer
Professor Dr. Klaus Bethge Dr. Gertrud Walter
Dr. Bernhard Wiedemann GSI
Johann-Wolfgang-Goethe-Universität Gesellschaft für Schwerionenforschung mbH
Institut für Kernphysik Planckstraße 1
August-Euler-Strasse 6 64291 Darmstadt
60486 Frankfurt am Main Deutschland
Deutschland E-Mail: g. wal terlllgsi. de
E-Mail: bethgelllikf. uni -frankfurt. de
wiedemannlllikf.uni-frankfurt.de
Die Deutsche Bibliothek-CIP-Einheitsaufnahme
Bethge, Klaus: Kernphysik: eine Einführung; mit 25 Tabellen, 100 Übungen mit ausführlichen Lösungen sowie Kästen
zur Erläuterung und einem historischen Überblick über die Entwicklung der Kern-und Elementarteilchenphysik I
Klaus Bethge ; Gertrud Walter ; Bernhard Wiedemann. -2., aktualisierte und erw. Auf!.
(Springer-Lehrbuch)
ISBN 978-3-540-41444-5 ISBN 978-3-662-08061-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-08061-0
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Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001
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Herstellung: Gertrud Dimler, Heidelberg
Satz und Umbruch: Druckfertige Daten von den Autoren
Zeichnungen: Claudia Freudenberger, Frankfurt
Einbandgestaltung: design & production GmbH, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN 10791873 56/3141/di 543210
Dem Andenken an meinen Vater, Paul Bethge, gewidmet, der,
viel zu früh, in einem stalinistischen NKWD-Lager sterben mußte.
Klaus Bethge
Vorwort zur 2. Auflage
Die erste Auftage des Lehrbuches ist sowohl im Kreis der Kollegen, die das
Fach Kernphysik lehren, als auch von den Studierenden gut aufgenommen
worden. Viele nützliche Hinweise erreichten uns, die wir nach bestem Wis
sen in diese zweite Auftage aufgenommen haben. Für diese Mitarbeit sowie
für die zahlreichen Hinweise auf Satz-, Schreib- und Bachfehler möchten wir
allen danken, die uns geschrieben haben. Für die zweite Auftage ist der Au
torenkreis erweitert worden, denn eine Reihe von Ergänzungen haben sich in
der Lehrpraxis als erforderlich erwiesen. Dies betrifft sowohl den Inhalt als
auch die Übungsaufgaben. Neben kleineren Änderungen, die zum besseren
Verständnis beitragen sollen, sind zusätzliche Themen, wie Cluster-Emisson,
Spin der Nukleonen aber vor allem die Anwendungen kernphysikalischer Me
thoden in der Medizin aufgenommen worden.
Prof. Dr. Andreas Schäfer (Universität Regensburg) hat wertvolle
Ratschläge zur Darstellung des Problems des Nukleonenspins gegeben.
Prof. Dr. Joachim Maruhn (Universität Frankfurt/Main) hat wesentlich
zur verständlichen Darstellung der Cluster-Emission beigetragen.
Wir danken ferner Prof. Dr. Peter Braun-Munzinger (GSI) für die Zur
verfügungstellung des Phasendiagramms der Kernmaterie, Prof. Dr. Fritz
Bosch (GSI) für neue Hinweise auf den ß-Zerfall in gebundene Zustände und
Prof. Dr. Gerhard Kraft (GSI) für Details der Tumortherapie mit schweren
Ionen sowie Prof. Dr. Hans Geissel ( GSI) für viele Hinweise und umfangreiche
Diskussionen zur Frage des Energieverlustes von Teilchen beim Durchgang
durch Materie. Herr Prof. Dr. Ernst W. Otten (Universität Mainz) hat uns
dankenswerterweise den kürzlich gemessenen Wert für die Masse des Neutri
nos mitgeteilt. Ferner hat uns Dr. Branko Stahl (TU-Darmstadt) wertvolle
Anregungen zur Behandlung des Mößbauer-Effekts gegeben.
Unser Dank geht auch an Dr. Dieter Pommerrenig (Universität Frank
furt/Main) und Prof. Dr. Joachim Happ (Universität Mainz) für die kriti
sche Durchsicht der Teile des Manuskripts, die die medizinischen Anwendun
gen der Kernphysik beinhalten. Herr Dr. Peter Kreisler (Siemens AG, Er
langen) hat für die Darstellung der Kernspinresonanz-Tomographie wertvolle
Ratschläge gegeben und uns eine Reihe von Bildern zur Verfügung gestellt.
Schließlich danken wir Dr. Dieter Hofmann für die sehr sorgfältige Durchsicht
des Gesamtmanuskripts.
VIII \Torvvort
Besonderer Dank gebührt erneut Frau Clandia Freudenherger für ihren
umfangreichen Beitrag durch die sehr sorgfältige Neugestaltung fast aller
Bilder.
Die hervorragende Zusammenarbeit mit dem Springer-Verlag, insbeson
dere mit Dr. Hans J. Kölsch sowie mit Frau Gertrud Dimler, hat sehr zur
termingerechten Fertigstellung der 2. Auflage des Lehrbuches beigetragen.
Wir hoffen auf eine ebenso gute Aufnahme wie zuvor.
Frankfurt am Main, November 2000 Klaus Bethge
Gertrud Walter
Bernhard Wiedemann
Vorwort zur 1. Auflage
Die Tendenz moderner kernphysikalischer Forschung ist sehr stark auf die
Untersuchung der Zustände der Materie unter extremen Bedingungen ausge
richtet. Zu diesen extremen Bedingungen gehören z.B. die Kerndichte, aber
auch die Anregungsenergien, die analog zur Thermodynamik als Temperatur
ausgedrückt werden. Dabei sind zwar die Erkenntnisse über den Atomkern,
die über ein halbes Jahrhundert gesammelt wurden, als Fundament wich
tig, aber die kernphysikalische Forschung dieses halben Jahrhunderts scheint
abgeschlossen zu sein. Das Wissen darüber ist in mehreren sowohl deutsch
als auch fremdsprachigen Lehrbüchern niedergelegt. Demzufolge wird die be
rechtigte Frage gestellt, ob es dann noch nötig ist, ein weiteres Lehrbuch
zu schreiben. Diese Frage habe ich mir auch gestellt und bin dem Wunsch
des Springer-Verlags nicht enthusiastisch gefolgt, ein weiteres Buch zu schrei
ben. Eine solche Aufgabe dennoch zu übernehmen, wurde von mehreren Ge
sichtspunkten motiviert. Das Lehrbuch sollte als kompaktes Lehrbuch mit
Übungsaufgaben denjenigen Studenten und Wissenschaftlern, die Kernphy
sik als Hilfswissenschaft für ihre anderen Aufgaben ansehen, als Leitfaden
dienen. Sie, seien es Physiker in der Festkörperphysik, in der Umweltphy
sik, in technischen Disziplinen, Chemiker, Biologen oder auch Ingenieure,
verwenden nukleare Methoden, ohne oftmals die eigentlichen Grundlagen in
tensiv studiert zu haben. Ihnen etwas an die Hand zu geben, das ihnen die
grundlegenden Begriffe und Methoden vermittelt, ist einer der Gründe ge
wesen, dieses Buch zu schreiben. Für Vorlesungen vor Studenten, die als
Studienabschluß das Staatsexamen anstrebten und in deren Lehrplan auch
eine Vorlesung über Kernphysik gehört, fand ich es schwierig, ein Lehrbuch,
von denen es mehrere ausgezeichnete gibt, zu empfehlen, das die Bedürfnisse
nach Wissen über das Gebiet Kernphysik befriedigt, ohne gleich aus seinen
Lesern Kernphysiker heranziehen zu wollen.
Dieses Ziel erforderte es, aus dem sehr umfangreichen Material über die
Kernphysik, das in über 40 Jahren intensiver sowohl theoretischer als auch ex
perimenteller Forschung erarbeitet worden ist, dasjenige zusammenzustellen,
das einen Überblick über den gegenwärtigen Stand des Wissens zu geben ver
spricht. Ich habe versucht, den roten Faden nicht zu verlieren, neue wichtige
Ergebnisse mitaufzunehmen. Dies Bemühen erforderte es aber auch, wichtige
Facetten wegzulassen, die durchaus zu unserem Gesamtbild der Kernphysik
X Vorwort
beigetragen haben. Dazu gehört auch die Erweiterung des Gebietes in die
Teilchenphysik. Um das Bild einer Brücke zu benutzen, kann das Fundament
eines Pfeilers die Kernphysik darstellen, während den anderen Pfeiler die Phy
sik der Elementarteilchen bildet. Eine Reihe guter Lehrbücher bietet diesen
Brückenschlag an, obwohl der Brückenbogen noch nicht konstruiert ist. Da
in den meisten überschauliehen Darstellungen der Kern- und Teilchenphysik
die Fülle kernphysikalischer Fakten nicht mehr dargestellt werden, soll dieses
Buch versuchen, einen der beiden Brückenpfeiler eingehender darzustellen,
während der andere hier nur in Umrissen behandelt wird.
Allen Kapiteln sind Übungsaufgaben angefügt, die den Studenten in die
Lage versetzen sollen, einzelne Aspekte sich anhand von Rechnung und Über
legung selbst anzueignen. Obwohl die meisten Übungsaufgaben aufgrund des
dargebotenen Stoffes bewältigt werden können, gibt es auch einige Aufgaben,
die die Zuhilfenahme anderer weiterführender Literatur erfordern.
Während der Niederschrift des Manuskripts haben viele Kollegen mit Dis
kussionen und kritischer Durchsicht von Teilen des Manuskripts beigetragen,
wofür ich insbesondere Prof. Dr. Klaus Stelzer und Prof. Dr. Alwin Schempp
danke. Sehr herzlich habe ich mich bei Prof. Dr. Jörg Kummer zu bedan
ken, der die Schaltung des Kaskadenbeschleunigers noch einmal am Oszil
lographen überprüft hat, ebenso hat Dr. Matthias Waldschmidt ein für die
Darstellung geeignetes ')'-Spektrum neu aufgenommen. Beim Datensuchen
und dabei die geeignete Darstellung zu finden, haben mir Dipl.-Phys. Alkis
Müller und Dipl.-Phys. Ralf Hausner sehr geholfen. Bilder aus der eigenen
Forschungsarbeit stellten mir freundlicherweise zur Verfügung: Prof. Dr. Pe
ter Armbruster, Prof. Dr. Gottfried Münzenberg, Dr. Sigurd Hofmann, Dr.
Hans-Jürgen Wollersheim, Dr. Klaus-Dieter Groß, Prof. Dr. Fritz Bosch, Prof.
Dr. Gerhard Kraft, Helmut Folger (alle GSI), Dr. Horst Baumann, Dipl.
Phys. Frank Link (Institut für Kernphysik der Universität Frankfurt), Dr.
Reiner Lieder (KfA Jülich), Prof. Dr. Ulrich Schmidt-Rohr, Dr. R. Repnow
(MPI für Kernphysik).
Frau Träumer (MPI für Kernphysik) hat aus alten Negativen die Bilder
der Spektrographen angefertigt, und die Pressestelle des IPP hat mir freund
licherweise die Fusionsdiagramme überlassen.
Der ausführliche, tabellarische, historische Überblick enstand durch die
Hilfe vieler in- und ausländischer Kollegen, von denen einige oben genannt
sind, aber die Hilfe von Prof. Dr. Gien Seaborg (Berkeley) und Dr. A. Ter
Akopian (Dubna) soll hier dankbar erwähnt werden.
Ganz besonders zu danken habe ich Frau Claudia Freudenberger, die un
ermüdlich die Zeichnungen anfertigte und mit den vielen notwendigen Kor
rekturen versah, Herrn Dipl.-Phys. Ralph C. Bär, der die umfangreiche Auf
gabe übernommen hat, das Manuskript in TEX umzusetzen, sowie Herrn Dr.
Bernhard Wiedemann, der über viele Jahre die Übungen zu den Vorlesungen
betreut und jeweils dort modernisiert hat, wo eine geschicktere Formulierung