Die Struktur der Materie im Überblick

(1)

(2)

Objekte sichtbar machen

• bloßes Auge: ~ 1mm

 Immer noch keine Bausteine sichtbar

 Wie groß sind die eigentlich ?

• Auge plus Lupe: ~1/10 mm

10 fach vergrößert

• Auge und Mikroskop:

~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)

1000 fach vergrößert

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• Was heisst überhaupt „sehen“ ?

• Sehen = Abbilden

Wie kann man 0.001 µm „sehen“?

• Wichtig:

„Auflösungsvermögen“

• Dazu nötig:

1. Größe der Projektile << Größe der Strukturen

Wurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweisdetektor

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Unbekanntes Objekt in einer Höhle

• Projektil: Basketbälle

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• Projektil: Tennisbälle

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• Projektil: Murmeln

...Nichts wie weg !

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Objekte mit Wellen sichtbar machen

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Verfügbare Wellenlängen

eletromagnetische Wellen

LW 3000

m

MW 300 m

KW 30 m

UKW 3 m

GPS 0.3 m

Infrarot 10^-6 m

Licht 5 10^-7

m 2 eV

UV 10^-7 m 10 eV

Röntgen Strahlung 10^-10 m 10⁴ eV γ-Strahlung 10^-12 m 10⁶ eV

 ^hc h

E   

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Erkenntnisse der Quantenphysik

Entdeckung:

Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft (Photoeffekt)



 ^hc ^p h

E    

Entdeckung:

Teilchen haben Welleneigenschaft (Elektronenmikroskop)

p

 h



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Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung

h

e^-

e^- e^- e^-

h

Elektron Energie

E_max= h- eU_work

Elektron Energie E_e= h- E_binding

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Huygens: Welle

Interferenz und Beugung z.B. Thomas Young

Doppelspalt (1801)

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He^*

inkohärent l = 0.47 Å

Eintrittsschlitz 2mm

Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

1m 8m

•angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis

•Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein

•Schlitze!!

Atome als Wellen

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Mögliche Projektile für Strukturen < 0.001 µm

• Sichtbare Lichtteilchen (!) (Photonen bei 0.25-0.5 (!) eV)

Punktförmig (< 0.001 fm)

Treffgenauigkeit: 0.8 µm – 0.4 µm („Wellenlänge“)

• Röntgenstrahlen (Photonen bei 20 keV) Punktförmig (< 0.001 fm)

Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius) Abbildung schwierig, da nicht fokussierbar

• Elektronen bei 20 keV

Punktförmig (< 0.001 fm)

Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) )(!)

• Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fm

Treffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)

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allgemeiner Zusammenhang:

1 eV für Auflösung 10^-6 m 1 keV für Auflösung 10^-9 m 1

MeV für Auflösung 10^-12 m 1

GeV für Auflösung 10^-15 m 1 TeV für Auflösung 10^-18 m

E /

 1



 ^m ^¹^.²⁴^¹⁰^¹² ^/ ^E^MeV



Energie:

1 Elektron Volt = 1 eV

= 1.6 10¹⁹ Joule

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Die Mikroskope der Teilchenphysiker:

Beschleuniger

Objekt Größe Energie

Kristall 10^-6 m 1 eV (Lichtmikroskop) Molekül 10^-9 m 1 keV=10³ eV

(Elektronenmikroskop) Atom 10^-10 m 10 keV=10⁴ eV

Atomkern 10^-14 m 100 MeV=10⁸ eV Proton 10^-15 m 1 GeV=10⁹ eV Quark/Elektr

on <10^-18 m 1 TeV=10¹² eV 1 eV=1.6 10^-19 Joule

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Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger

• Haben Sie auch daheim!

• Funktionsprinzip:

Simulation

• Linearbeschleuniger:

• Fermilab, Chicago (in Betrieb)

• DESY, Hamburg (in Planung)

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Die Struktur des Atoms

• 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie

Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: 100.000 fm

harter Kern: 5 fm

• 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff

 Beobachtung einzelner Protonen

• 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium

 Beobachtung einzelner Neutronen

• kleiner Atomkern aus Protonen und

(18)

Bausteine der Atomkerne

(19)

Das Quark-Gluon-Plasma

(20)

Das Quark-Gluon-Plasma

(21)

Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren

CERN, Genf, bis 2000

(22)

Suche nach Bausteinen der Materie

Blasenkammeraufnahme

(23)

Zusammenfassung Bausteine

• Fundamentale Bausteine der Materie:

– Elektron e, Up-Quark u, Down-Quark d – Alle punktförmig ( < 0.001 fm)

• Welche Kräfte halten die Bausteine zusammen?

• Was ist überhaupt eine fundamentale Kraft