-Zerfall: experimentelle Beobachtung

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KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

INSTITUTE OF EXPERIMENTAL PARTICLE PHYSICS (IEKP) – PHYSICS FACULTY

www.kit.edu

Kerne und Teilchen (Physik VI)

Günter Quast, Roger Wolf, Pablo Goldenzweig 06. Juni 2017

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Institute of Experimental Particle Physics (IEKP) 2

Kapitel 5.2: Alpha-, Beta-, Gammazerfall

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-Zerfall: experimentelle Beobachtung

● Änderung eines Kerns unter Aussendung eines Elektrons, dabei

Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall:

In welchen Spin- & Drehimpuls- konfigurationen ist dieser Zerfall möglich?

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-Zerfall: experimentelle Beobachtung

Kontinuierliches Energiespektrum des emittierten Elektrons:

Erwartung für Zweikörperzerfall:

→ Linienspektrum

Drehimpulserhaltung in Tritium-Zerfall:

Bsp.: Tritium-Zerfall

In welchen Spin- & Drehimpuls- konfigurationen ist dieser Zerfall möglich?

Nicht kompatibel mit Drehimpulserhaltung

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Wolfgang Paulis Neutrino-Hypothese

● Postulat eines dritten Spin-½ Teilchens: an Zerfall beteiligt jedoch bisher undetektiert

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Zugrunde liegender Prozess:

Neutronzerfall im Kern

-Zerfall: aus heutiger Sicht

(1) frei werdende kinetische Energie (1)

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Klassifikation der Zerfälle

-Zerfall:

● Zerfall eines Neutrons im Kern

● Austausch eines -Bosons (→ schwache WW)

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Klassifikation der Zerfälle

-Zerfall:

● Zerfall eines Protons im Kern

● Falls energetisch möglich

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Klassifikation der Zerfälle

-Zerfall:

Inverser -Zerfall:

● Einfang eines durch ein Proton.

● Typische Nachweisreaktion für Neutrinos.

● Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt (→ )

(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten (1)

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Klassifikation der Zerfälle

-Zerfall:

Inverser -Zerfall:

Elektroneneinfang:

● für Hüllenelektronen (meist in K-Schale)

● Auffüllen der Lücke → Röntgen- photon oder Augerelektron

(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten (1)

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Klassifikation der Zerfälle

-Zerfall:

(1) auch hier bleibt Leptonzahl erhalten

Inverser -Zerfall:

Elektroneneinfang:

● für Hüllenelektronen (meist in K-Schale)

● Auffüllen der Lücke → Röntgen- photon oder Augerelektron

Außerdem bei Kernen:

● (über-) erlaubte Übergänge ( )

● Ein- und mehrfach verbotene Übergänge ( )

● Zerfälle die den Kernspin unverändert lassen (→ Fermi-Übergänge)

● Zerfälle die den Kernspin ändern (→ Gamov-Teller-Übergänge)

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Neutrinonachweis

● Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in Savannah River, USA (F. Reines, C. Cowan 1956)

● Nachweis der 511 keV Photon- Koinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrah- lung aus Neutroneinfang)

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Neutrinonachweis

● Durch inversen -Zerfall. (Anti-)Neutrinoquelle: Kernreaktor in savannah River USA (F. Reines, C. Cowan 1956)

● Nachweis der 511 keV Photon- Koinzidenz der -Annihilation (+ charakteristische Röntgenstrah- lung aus Neutroneinfang)

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Isobarenzerfallskette…

● … in Kernen → zur Erinnerung:

Tröpfchenmodell Coulomb- &

Paarungs-Term (VL-10 Folie 17)

● Minimum der Parabel → stabilstes Isotop

● uu-Kerne weniger stabil als gg- Kerne → 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

● 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 Dirac- Teilchen) → 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)

(vgl VL-09 Folie 27)

(bei niedrigen Impulsüberträgen, → )

In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern:

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-Zerfallkonstante ( Matrixelement )

(W-Boson Propagator)

(vgl VL-09 Folie 27)

(bei niedrigen Impulsüberträgen, → )

In guter Näherung unabhängig von Lage der Nukleonen im Kern:

de-Broglie-Wellenlängen von Elektron und Neutrino viel größer als Kernradius (→ Überlapp mit Wellenfunktion des gesamten Kerns)

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-Zerfallkonstante ( Phasenraumfaktor )

mit

(Sargent-Regel)

(1) Zweiköperphasenraum (→ unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern) (1)

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-Zerfallkonstante ( Phasenraumfaktor )

mit

(Sargent-Regel) Sargent-Regel:

d.h. je größer die frei werdende

kinetische Energie, desto schneller der Zerfall

(1) Zweiköperphasenraum (→ unter Vernachläßigung Rückstoß Tocherkern) (1)

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Messung von

● Exakte Vermessung von nahe bei

(Sargent-Regel) (KATRIN-Spektrometer, MAC-E Filter)

aller Zerfälle

Bsp.: Tritium-Zerfall

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-Zerfall

● Änderung eines Kerns unter Aussendung eines -Teilchens, dabei

● Energiebilanz:

Bsp.:

● Zweikörperzerfall → -Teilchen mono- energetisch ( )

● Hohe Ionisation bei WW mit Materie

→ Strahlung mit geringer Reichweite Nebelkammeraufnahmen

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Natürliche -Zerfallsreihen

● Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle

Uranreihe Neptuniumreihe

(1) gesamte frei werdende Energie

(1) (1)

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Natürliche -Zerfallsreihen

● Ausgangspunkt: schwere Elemente, Zerfallsreihe über - und -Zerfälle

Thoriumreihe Actiniumreihe

(1) gesamte frei werdende Energie

(1) (1)

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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

Wieviel Th würden Sie in einem kg Uran erwarten?

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Radioaktives Gleichgewicht

● Spezialfall: ein Zerfallsprodukt viel langlebiger als die anderen

→ säkulares Gleichgewicht

Aktivität

Zeit

(langsam) (schnell) (mittel)

● Aktivitäten der Tochernuklide nähern sich asymptotisch an Aktivität des Mutternuklids an

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● Mit Hilfe des QM Tunneleffekts bestimmbar

→ -Teilchen tunnelt durch Coulombwall

-Zerfallkonstante

Wahrscheinlichkeit Formierung eines -Teilchens im Kern

Transmissions- wahrscheinlichkeit,

→ Tunneleffekt

# Tunnelversuche/Zeit

Beweis siehe nächste Folie

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Gamow-Faktor

Im folgenden vernachlässigt

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-Zerfallkonstante und Geiger-Nuttal-Regel

● Zerfallskonstante:

● Halbwertszeit:

(Geiger-Nuttel-Regel)

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KW-21/22KW-22KW-23KW-24KW-25/26

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