Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI)
Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI) Günter Quast, Roger Wolf, Pablo Goldenzweig 06. Juni 2017
INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PA...
Moderne Experimentalphysik III: Kerne und Teilchen (Physik VI) Günter Quast, Roger Wolf, Pablo Goldenzweig 06. Juni 2017
INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS (IEKP) – PHYSICS FACULTY
KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association
www.kit.edu
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Kapitel 5.2: Alpha-, Beta-, Gammazerfall
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Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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-Zerfall: experimentelle Beobachtung ●
Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei
Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall:
In welchen Spin- & Drehimpulskonfigurationen ist dieser Zerfall möglich?
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Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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-Zerfall: experimentelle Beobachtung ●
Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei
Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall:
Kontinuierliches Energiespektrum des emittierten Elektrons: Bsp.: Tritium-Zerfall
In welchen Spin- & Drehimpulskonfigurationen ist dieser Zerfall möglich? Nicht kompatibel mit Drehimpulserhaltung
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Erwartung für Zweikörperzerfall: → Linienspektrum
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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Wolfgang Paulis Neutrino-Hypothese ●
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Postulat eines dritten Spin-½ Teilchens: an Zerfall beteiligt jedoch bisher undetektiert
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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-Zerfall: aus heutiger Sicht ●
Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei
Zugrunde liegender Prozess: Neutronzerfall im Kern (1)
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(1) frei werdende kinetische Energie
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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-Zerfall:
●
●
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Klassifikation der Zerfälle
Zerfall eines Neutrons im Kern Austausch eines -Bosons (→ schwache WW)
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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Klassifikation der Zerfälle
-Zerfall: -Zerfall:
●
●
Zerfall eines Neutrons im Kern ● Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern (→ schwache WW) ● Austausch eines -Bosons (→ schwache WW) ●
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Falls energetisch möglich
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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Klassifikation der Zerfälle
-Zerfall: -Zerfall:
●
●
Zerfall eines Neutrons im Kern ● Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern (→ schwache WW) ● Austausch eines -Bosons (→ schwache WW) ●
Inverser -Zerfall:
(1)
●
●
Falls energetisch möglich ●
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Einfang eines
durch ein Proton.
Typische Nachweisreaktion für Neutrinos. Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt (→ ) Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten
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Klassifikation der Zerfälle
-Zerfall: -Zerfall:
Inverser -Zerfall: Elektroneneinfang:
●
●
Zerfall eines Neutrons im Kern ● Zerfall eines Protons Austausch eines -Bosons im Kern (→ schwache WW) ● Austausch eines -Bosons (→ schwache WW) ●
(1) ●
●
Falls energetisch möglich ●
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Einfang eines
durch ein Proton.
Typische Nachweisreaktion für ● für Hüllenelektronen Neutrinos. (meist in K-Schale) Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt ● Auffüllen der Lücke → Röntgen(→ ) photon oder Augerelektron Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten
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-Zerfall: -Zerfall:
Klassifikation der Zerfälle Inverser -Zerfall: Elektroneneinfang:
Zerfall eines Neutrons im Kern ● Zerfall eines Protons ● Austausch eines Außerdem bei Kernen: -Bosons im Kern (→ schwache WW) ● ● (über-) erlaubte Übergänge ) Austausch eines ( -Bosons (→ schwache WW) ● Ein- und mehrfach verbotene Übergänge ( ) energetisch möglich ● Falls ●
●
●
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Zerfälle die den Kernspin unverändert lassen (→ Fermi-Übergänge) Zerfälle die den Kernspin ändern (→ Gamov-Teller-Übergänge)
(1) ●
●
●
Einfang eines
durch ein Proton.
Typische Nachweisreaktion für ● für Hüllenelektronen Neutrinos. (meist in K-Schale) Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt ● Auffüllen der Lücke → Röntgen(→ ) photon oder Augerelektron Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten
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Neutrinonachweis ●
●
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Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in Savannah River, USA (F. Reines, C. Cowan 1956)
Nachweis der 511 keV PhotonKoinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrahlung aus Neutroneinfang) Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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Neutrinonachweis ●
●
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Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in savannah River USA (F. Reines, C. Cowan 1956)
Nachweis der 511 keV PhotonKoinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrahlung aus Neutroneinfang) Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
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Isobarenzerfallskette… ●
●
●
●
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… in Kernen → zur Erinnerung: Tröpfchenmodell Coulomb- & Paarungs-Term (VL-10 Folie 17) Minimum der Parabel → stabilstes Isotop uu-Kerne weniger stabil als ggKerne → zwei Parabeln (nur eine Parabel für ug/gu-Kerne) Je nach Position relativ zu “Tal der Stabilität” sowohl also auch erlaubt
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Doppelter -Zerfall ●
●
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Wenn einfacher -Zerfall energetisch verboten → doppelter -Zerfall Beispiel:
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Doppelter -Zerfall (neutrinolos) ●
Wenn Neutrino sein eigenes Antiteilchen (d.h. Majorana-Teilchen statt DiracTeilchen) → doppelter -Zerfall ohne Neutrinos möglich
●
Extrem selten, dafür klare Signatur:
●
Heidelberg-Moskow, GERDA, COBRA, …
●
Beispiel:
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-Zerfallkonstante (Matrixelement) ●
Aus Fermi’s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14)
(W-Boson Propagator) (bei niedrigen Impulsüberträgen, → ) In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern:
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(vgl VL-09 Folie 27)
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-Zerfallkonstante (Matrixelement) ●
Aus Fermi’s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14)
(W-Boson Propagator) (bei niedrigen Impulsüberträgen, → ) In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern:
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(vgl VL-09 Folie 27)
de-Broglie-Wellenlängen von Elektron und Neutrino viel größer als Kernradius (→ Überlapp mit Wellenfunktion des gesamten Kerns)
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-Zerfallkonstante (Phasenraumfaktor) ●
Aus Fermi’s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14)
(1)
mit
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(1) Zweiköperphasenraum (→ unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern)
(Sargent-Regel)
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-Zerfallkonstante (Phasenraumfaktor) ●
Aus Fermi’s Goldener Regel (siehe VL-03 Folie 14) Sargent-Regel:
(1)
d.h. je größer die frei werdende kinetische Energie, desto schneller der Zerfall
mit
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(1) Zweiköperphasenraum (→ unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern)
(Sargent-Regel)
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Messung von ●
Exakte Vermessung von
nahe bei
Bsp.: Tritium-Zerfall
aller Zerfälle
(KATRIN-Spektrometer, MAC-E Filter)
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(Sargent-Regel)
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-Zerfall ●
Änderung eines Kerns unter Aussendung eines -Teilchens, dabei ●
Energiebilanz: Bsp.:
●
●
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Zweikörperzerfall → -Teilchen monoenergetisch ( )
Hohe Ionisation bei WW mit Materie → Strahlung mit geringer Reichweite
Nebelkammeraufnahmen
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Natürliche
-Zerfallsreihen
Uranreihe 23
(1)
Neptuniumreihe
Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle
●
(1)
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(1) gesamte frei werdende Energie
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Natürliche
-Zerfallsreihen
Thoriumreihe 24
(1)
Actiniumreihe
Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle
●
(1)
Institute of Experimental Particle Physics (IEKP)
(1) gesamte frei werdende Energie
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Radioaktives Gleichgewicht ●
In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein
Mehr Mutterkerne → mehr Zerfälle in Kern i
Mehr Tochterkerne → mehr Zerfälle in Kern i+1 Wieviel Th würden Sie in einem kg Uran erwarten?
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Radioaktives Gleichgewicht ●
In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein
Mehr Mutterkerne → mehr Zerfälle in Kern i
Mehr Tochterkerne → mehr Zerfälle in Kern i+1 Wieviel Th würden Sie in einem kg Uran erwarten?
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Radioaktives Gleichgewicht In Zerfallsreihe stellt sich radioaktives Gleichgewicht ein
Mehr Mutterkerne → mehr Zerfälle in Kern i ●
●
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Aktivität
●
Mehr Tochterkerne → mehr Zerfälle in Kern i+1
Spezialfall: ein Zerfallsprodukt viel langlebiger als die anderen → säkulares Gleichgewicht Aktivitäten der Tochernuklide nähern sich asymptotisch an Aktivität des Mutternuklids an
(langsam) (schnell) (mittel)
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Zeit
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-Zerfallkonstante ●
Mit Hilfe des QM Tunneleffekts bestimmbar → -Teilchen tunnelt durch Coulombwall
Wahrscheinlichkeit Formierung eines -Teilchens im Kern
