Teilchen und Kerne - Die Welt der subatomaren Physik [4 ed.] 3486244175

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Autorisierte Übersetzung der englischsprachigen Originalausgabe, erschienen im Verlag Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, unter dem Titel Subatomic Physics ", Second Edition.

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Copyright © 1991,1974 by Prentice-Hall, Inc. All rights reserved. Die 1. amerikanische Auflage übersetzten Dipl.-Phys. Manfred Pieper und Dipl.-Phys. Klaus Hackstein; die 2. Auflage übersetzte Dr. Eberhard Ziegler. Die vorliegende 4. deutsche Ausgabe wurde neu bearbeitet von Dipl.-Phys. Martin Reck.

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Frauenfelder, Hans: Teilchen und Kerne: die Welt der subatomaren Physik; mit 47 Tabellen und 501 Aufgaben I von Hans Frauenfelder und Ernest M. Henley. - 4., vollst. überarb. Aufl. I [neu bearb. von Martin Reck]. München; Wien: Oldenbourg, 1999 Einheitssacht. : Subatomic physics ISBN 3-486-24417-5

© 1999 R. Oldenbourg Verlag Rosenheimer Straße 145, D-81671 München Telefon: (089) 45051-0, Internet: http://www.oldenbourg.de Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Lektorat: Andreas Türk Herstellung: Rainer Hartl Umschlagkonzeption: Kraxenberger Kommunikationshaus, München Gedruckt auf säure- und chlorfreiem Papier Gesamtherstellung: R. Oldenbourg Grlphische Betriebe GmbH, München

Inhaltsverzeichnis Vorwort zur ersten Ausgabe XI Vorwort zur zweiten und vierten Ausgabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. XV

1

Hintergrund und Begriffe

1

1.1 1.2 1.3 1.4

Größenordnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Die Sprache - Feynmangraphen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literaturhinweise Aufgaben...........................................................

1 1 3 7 7

Teil I - Werkzeuge

9

2

Beschleuniger

10

2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

Wozu Beschleuniger? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der elektrostatische Generator (Van de Graaff) Der Linearbeschleuniger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Strahloptik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Das Synchrotron , Laborsystem und Schwerpunktsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Speicherringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Zukünftige Entwicklungen Literaturhinweise Aufgaben

10 13 14 16 20 26 27 30 33 34

3

Durchgang von Strahlung durchMaterie

37

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

Begriffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Schwere geladene Teilchen Photonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Elektronen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Kemwechselwirkungen Literaturhinweise Aufgaben

37 39 42 43 46 46 46

4

Detektoren

49

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9

Szintillationszähler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Statistische Betrachtungen Halbleiterdetektoren Blasenkammeren Funkenkammern , Drahtfunkenkammern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Zeitprojektionskammern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Zählerelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Logische Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

49 52 55 58 60 62 63 64 65

VI

Inhaltsverzeichnis

4.10 Literaturhinweise Aufgaben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . ..

67 68

Teil 11 - Teilchen und Kerne

71

5

Der subatomare Zoo

5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 5.13

Masse und Spin, Fermionen und Bosonen Elektrische Ladung und magnetisches Dipolmoment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Massenbestimmung Ein erster Blick auf den subatomaren Zoo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Eichbosonen Leptonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Teilchenzerfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Mesonen............................................................ Baryonen-Grundzustände Quarks, Gluonen und intermediäre Bosonen Angeregte Zustände und Resonanzen Angeregte Zustände von Baryonen " Literaturhinweise Aufgaben ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

73 78 81 86 87 90 91 96 100 102 106 110 117 117

6

Die Stmktur der subatomarenTeilchen

123

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13

Der Ansatz: Elastische Streuung Wirkungsquerschnitte und Luminosität Rutherford- und Mott-Streuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Formfaktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die Ladungsverteilung kugelförmiger Kerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Leptonen sind punktförmig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der elastische Formfaktor der Nukleonen Die Ladungsradien vom Pion und Kaon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Unelastische Elektronenstreuung Tief unelastische Elektronenstreuung Quark-Parton-Modell für tief unelastische Streuung Streuung und Struktur Literaturhinweise Aufgaben

123 124 127 130 135 138 143 150 151 154 157 162 181 181

Teil 111 - Symmetrien und Erhaltungssätze 7

Additive Erhaltungssätze

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

Erhaltungsgrößen und Symmetrie Die elektrische Ladung Die Baryonenzahl Leptonen- und Myonenzahl Teilchen und Antiteilchen

73

185 187 187 192 196 198 , 202

Inhaltsverzeichnis

VII

7.6 7.7 7.8

Hyperladung und Strangeness (Seltsamkeit) Zusätzliche Quantenzahlen von Quarks Literaturhinweise Aufgaben

207 211 213 213

8

Drehimpuls und Isospin

216

8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8

Invarianz bezüglich der räumlichen Drehung Symmetrieverletzung durch das magnetische Feld Ladungsunabhängigkeit der starken Wechselwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Der Isospin der Nukleonen Isospininvarianz Der Isospin von Elementarteilchen Der Isospin in Kernen Literaturhinweise Aufgaben

216 218 219 220 221 224 227 231 232

9

P, C und T

235

9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 9.9

Die Paritätsoperation Die Eigenparität der subatomaren Teilchen Erhaltung und Verletzung der Parität Die Ladungskonjugation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die Zeitumkehr Das Zweizustandsproblem Die neutralen Kaonen Der Sturz der CP-Invarianz Literaturhinweise Aufgaben

235 239 242 248 252 255 257 263 266 267

Teil IV - Wechselwirkungen

273

10

275

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8

Elektromagnetische Wechselwirkung

Die Goldene Regel Der Phasenraum Die klassische elektromagnetische Wechselwirkung Photonenemission Multipolstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Elektromagnetische Streuung von Leptonen Kollidierende Elektron-Positron-Strahlen Gültigkeit der Quantenelektrodynamik (QED) bei hoher Impulsübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 10.9 Die Photon-Hadron-Wechselwirkung: Vektormesonen 10.10 Elektron-Positron-Stöße und Quarks 10.11 Die Photon-Hadron-Wechselwirkung: reelle und raumartige Photonen 10.12 Zusammenfassung und offene Probleme 10.13 Literaturhinweise Aufgaben

275 280 284 287 295 298 302 304 308 313 317 326 327 328

VIII

11

Inhaltsverzeichnis

Die schwache Wechselwirkung

332

11.1 Das kontinuierliche ß-Spektrum 11.2 Halbwertszeiten beim ß-Zerfall 11.3 Die Strom-Strom-Wechselwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11.4 Ein Überblick über schwache Prozesse 11.5 Der Zerfall des Myons 11.6 Der schwache Strom aus Leptonen 11.7 Die schwache Kopplungskostante G 11.8 Seltsame und nichtseltsame schwache Ströme 11.9 Schwache Ströme in der Kernphysik 11.10 Massive (massebehaftete) Neutrinos 11.11 Der schwache Strom von Hadronen bei hoher Energie 11.12 Literaturhinweise Aufgaben

332 337 338 344 348 351 356 357 359 364 367 379 380

12

Einführung in die Eichfeldtheorien

38S

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Einführung Potentiale in der Quantenmechanik - der Aharanov-Bohm- Effekt Eichinvarianz für Nicht-Abelsche Felder Massives (massebehaftetes) Eichboson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Literaturhinweise Aufgaben

385 388 391 396 403 403

13

Die elektroschwache Theorie

40S

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Einleitung Die Eichbosonen und der schwache Isospin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Die elektroschwache Wechselwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Tests des Standard-Modells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Literaturhinweise Aufgaben

405 406 410 416 421 422

14

HadronischeWechselwirkungen

424

14.1 Reichweite und Stärke von niederenergetischen hadronischen Wechselwirkungen 14.2 Die Pion-Nukleon-Wechselwirkung - Überblick 14.3 Die Form der Pion-Nukleon-Wechselwirkung 14.4 Die Yukawa-Theorie der Kernkräfte 14.5 Eigenschaften der Nukleon-Nukleon-Kraft 14.6 Mesonentheorie der Nukleon-Nukleon-Kraft 14.7 Hadronische Prozesse bei hohen Energien 14.8 Die Farbkraft, Quantenchromodynamik 14.9 Literaturhinweise Aufgaben

,

426 " 429 433 436 438 447 449 456 463 465

Inhaltsverzeichnis

IX

Teil V - Modelle

471

15

473

Quarks, Mesonen und Baryonen

15.1 Einführung.......................................................... 15.2 Quarks als Bausteine der Hadronen 15.3 Jagd auf Quarks 15.4 Mesonen als gebundene Quarkzustände 15.5 Baryonen als gebundene Quarkzustände 15.6 Die Hadronenmassen " 15.7 QCD (Quantenchromodynamik) und Quarkmodelle der Hadronen 15.8 Charmonium, Ypsilon: Schwere Mesonen 15.9 Ausblick und Probleme 15.10 Literaturhinweise Aufgaben

473 473 476 477 480 482 485 494 496 498 499

16

Das Tröpfchen-Modell, das Fermi-Gas-Modell, schwere Ionen

503

16.1 16.2 16.3 16.4

Das Tröpfchenmodell Das Fermi-Gas-Modell Reaktionen schwerer Ionen Literaturhinweise Aufgaben

503 508 510 516 517

17

Das Schalenmodell

521

17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7

Die magischen Zahlen Die abgeschlossenen Schalen Die Spin-Bahn-Wechselwirkung Das Einteilchen-Schalen-Modell Verallgemeinerung des Einteilchen-Modells Isobare Analog-Resonanzen Literaturhinweise Aufgaben

522 525 530 533 535 537 543 544

18

Das Kollektiv-Modell

546

18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9

Kerndeformationen Rotationsspektren von Kernen ohne Spin Rotationsfamilien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Einteilchenbewegung in deformierten Kernen (Nilssonmodell) Vibrationszustände in sphärischen Kernen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Das wechselwirkende Bosonenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Hochangeregte Zustände, Riesenresonanzen " Kernmodelle - Abschließende Bemerkungen Literaturhinweise Aufgaben

547 550 555 558 563 567 568 572 575 577

x

Inhaltsverzeichnis

19

Nukleare Astrophysik

19.1 19.2 19.3 19.4 19.5 19.6 19.7 19.8

Kosmische Strahlung Sternenergie Neutrino-Astronomie Kernsynthese Erlöschen von Sternen und Neutronensterne Der Anfang des Universums Abschließende Bemerkungen Literaturhinweise Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

583 583 589 592 595 600 604 606 608 610

Teil VI - Anhang Tabellen

613

Al A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

614 615 618 625 628 631 632 633

Die am häufigsten verwendeten Konstanten Eine vollständigere Zusammenstellung von Konstanten Eigenschaften stabiler Teilchen Stabile und instabile Mesonen Stabile und instabile Baryonen Periodensystem der Elemente Kumulierter Index von A-Ketten Kugelfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

Sachregister

635