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Experimentalphysik IVa: Kern- und Teilchenphysik

Prof. Dr. Karl-Heinz Kampert


Die Vorlesung findet 4-stündig statt und beinhaltet eine 1-stündige Übung (V4Ü1).

WUSEL-Eintrag der Vorlesung.

WUSEL-Eintrag der Übung. Bitte die Übungen belegen!

Termin Vorlesung:

Mi. 10:15-11:45, F.13.15
Fr. 10:15-11:45, F.13.11

Beginn am Mittwoch, den 15.04.2020 als interaktive zoom Konferenz. Die Zugangsinformationen hierzu finden Sie im Wesel-Eintrag, bzw. wurden Ihnen als e-mail zugesandt.


Termin Übung:

Mi. 12:15-13:00 Uhr im Seminarraum F.13.15 (Beginn 22.04.2020)
Mi. 13:15-14:00 Uhr im Seminarraum F.13.15 (Beginn 22.04.2020)

Kontakt: Michael Schimp, Raum F.11.03, Tel. 3736.

Übungsaufgaben: Ü01, Ü02, Ü03, Ü04, Ü05, Ü06


Inhalt:

1. Einführung

1.0 Historie, Terminologie, Sprache und Begriffe (Folien VL01)
1.1 Grössenordnungen
1.2 Nomenklatur der Kern- und Teilchenphysik (Folien und Notizen VL02)
1.3 Kurzübersicht: Teilchen und Wechselwirkungen

2. Aufbau der Atomkerne

2.1 Ladung
2.2 Masse
2.3 Bindungsenergie und Massendefekt
 2.3.1 Atomare Masseneinheit "u" (Folien und Notizen VL03)
2.4 Bestimmung von Kernradien
 2.4.1 Einführung des Wirkungsquerschnitts
 2.4.2 Mittlere freie Weglänge
 2.4.3 Coulomb-/Rutherford-Streuung (Folien und Notizen VL04)
 2.4.4 Elektron-Kern Streuung (Mott-Streuung und Formfaktoren)  (Folien und Notizen VL05, VL06)
 2.4.5 Muonische Atome

3. Fundamentale Eigenschaften stabiler Kerne

3.1 Tröpfchenmodell und Weizäckersche Massenformel (Folien und Notizen VL07)
3.2 Kernspins und Kernmomente (Folien und Notizen VL08)
 3.2.1 Magnetisches Diplommoment
 3.2.2 Systematik der Kerspins und Kernmomente
 3.2.3 Das elektrische Quadrupolmoment (Folien und Notizen VL09)
3.3 Parität von Teilchen und Zuständen
3.4 Angeregte Zustände
3.5 Addition von Drehimpulsen
3.6 Schalenmodell (Folien und Notizen VL10)
 3.6.1 Spin-Bahn Kopplung (Folien und Notizen VL11)

4. Kernkräfte

4.1 DasDeuteron
4.2 Isospin
 4.2.1 Isopspin von Elementarteilchen
4.3 Das Meson-Austauschmodell der Kernkräfte

5. Zerfall instabiler Kerne

5.1 Zerfallsgesetz, Halbwertszeit, Lebensdauer
5.2 Alpha-Zerfall
5.3 Beta-Zerfall
  5.3.1 Energetik und Phänomenologie
  5.3.2 Fermi-Theorie des beta-Zerfalls
  5.3.3 W- und Z-Bosonen
5.4 Gamma-Zerfall
  5.4.1 Innere Konversion
  5.4.2 Mößbauer-Effekt
5.5 Kernspaltung
5.6 Natürliche Radionuklide

6. Kernreaktionen

6.1 Compoundkern-Reaktionen, Coulombanregung, Direkte Reaktionen
6.2 Schwerionenreaktionen 

7. Wechselwirkung von Strahlung und Teilchen mit Materie

7.1 Ionisationsbremsung schwerer Teilchen (p, d, t, alpha, ...)
7.2 Abbremsung von Elektronen
7.3 Cherenkov-Strahlung
7.4 Absorption von gamma-Strahlung in Materie
  7.4.1 Photoeffekt
  7.4.2 Compton-Streuung
  7.4.3 Paarbildung
  7.4.4 Absorption hochenergetischer EM-Strahlung (EM-Schauer)
7.5 Absorption hochenergetischer Hadronen
7.6 Nachweis von Neutronen
7.7 Nachweis von Neutrinos

8. Detektoren

8.1 Ionisationskammern
8.2 Proportionalzähler
8.3 Geiger-Müller Zählrohr
8.4 Vieldrahtkammern
8.5 Halbleiterdetektoren
8.6 Szintillationsdetekoren
8.7 Photomultiplier

9. Teilchenbeschleuniger

9.1 Van de Graaff Beschleuniger
9.2 Tandem-Beschleuniger
9.3 Linear Beschleuniger
9.4 Zyklotron
9.5 Synchrotron
9.6 Collider und Speicherringe

10. Strahlenbelastung und Strahlenschutz

10.1 Strahlendosiseinheiten
10.2 Strahlung in biologischen Geweben
10.3 Gesetzliche Grenzwerte 

11. Kernphysikalische Anwendungen

11.1 Nuklearmedizin
11.2 Datierungsmethoden
11.3 Kernenergie und Spaltreaktoren
11.4 Kernfusion in der Sonne
11.5 Kontrollierte Kernfusion

12. Symmetrien und Erhaltungssätze, fundamentale WW

12.1 Energie- Impuls-, Drehimpuls-, Ladungs-, Baryonen- und Leptenzahlerhaltung
12.2 Paritätsverletzung im Betazerfall (Wu-Experiment)
12.3 CP-Verletzung im K-System
12.4 Zeitumkehr und CPT-Invarianz
12.5 Isospin, Seltsamkeit, Charme als Erhaltungsgrößen

13. Baryonen- und Mesonresonanzen

13.1 Delta-Resonanz, Rho- und Omega-Meson
13.2 Strangeness-Produktion und -Zerfall

14. Statisches Quark-Modell der Hadronen

14.1 Baryonen- und Mesonen-Multipletts
14.2 Eigenschaften der Quarks
14.3 Einfache Anwendungen des Quark-Modells
14.4 Vervollständigung des Quark-Bildes: J/Psi und Y-Resonanz
14.5 Wechselwirkungspotential der QCD; Gluonen und Jet-Bildung

15. Experimentelle Bestätigung des Quark Modells

15.1 Tiefinelastische Lepton-Nukleon Streuung
15.2 Positron-Elektron-Streuung in Abhängigkeit von E

16. Modelle der Teilchenphysik

16.1 Quarks und ihre Wechselwirkungen
16.2 Neutrale und geladene schwache Ströme
16.3 Idee der Grand Unified Theory (GUT)


Literatur:

A. Das, T. Ferbel Introduction to Nuclear and Particle Physics World Scientific
K. Bethge Kernphysik Springer
W. Demtröder Experimentalphysik 4 Springer
D. H. Perkins Hochenergiephysik Addision Wesley
Povh, Rith, Scholz, Zetsche Teilchen und Kerne Springer
Halzen, Martin Quarks & Leptons Wiley
Kleinknecht Detektoren für Teilchenstrahlung Springer
Leo Techniques in Nuclear and Particle Physics Experiments Springer