Physik compact, Basiswissen 8, Schulbuch

49 22.1 Streuung als Mittel zur Strukturforschung Streuung als Mittel zur Strukturforschung A1 Informiere dich über den Begriff„Streuung“! A2 Wiederhole die Energieeinheiten eV, keV, MeV und GeV! A3 Gib den Aufbau des historischen Streuexperi- ments von E. Rutherford an! Aufbau eines Streuexperiments Bei allen Streuexperimenten werden elektrisch ge- ladene Teilchen zunächst mit einem Beschleuniger (accelerator) auf eine hohe Energie gebracht. Diese mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegten Teilchen prallen auf ein ruhendes oder bewegtes Objekt (tar- get) , dessen Struktur untersucht werden soll. Beim Zusammenstoß entstehen im Allgemeinen zahlreiche kurzlebige, rasch bewegte Teilchen, deren Daten mit Hilfe schneller Detektoren (detectors) aufgenommen werden. Diese Daten werden schließlich mit leis- tungsfähigen Computernetzwerken ausgewertet und visualisiert. Können auf diese Weise beliebig kleine Strukturen untersucht werden? Wir überlegen dies an Hand der Wellenlänge, die den rasch bewegten Teilchen zuge- ordnet ist: Für Wellen gilt: m · f = c Für Photonen und Elementarteilchen gilt E = h · f (vgl. Einleitung A, C). Daraus leitet man für die Wellenlänge von Teilchen- strahlen die folgende Beziehung ab: E h c $ m = m …Wellenlänge h …Planck´sches Wirkungsquantum E … (kinetische) Energie der Teilchen (vgl. Compton-Wellenlänge, Kap. 20.5.4; Materiewel- len, Kap. 21.2) A4 Rechne nach! Da die Wellenlänge des verwendeten Teilchenstrah- les in der Größenordnung der untersuchten Struktur liegen muss, sind zur Erforschung kleinster Strukturen kleinste Wellenlängen nötig. Diese sind auf Grund der zuletzt hergeleiteten Beziehung nur mit hoher Ener- gie zu erreichen. Elementarteilchenphysik (particle physics) ist daher untrennbar mit Hochenergiephysik (high energy physics) verbunden! 22.1 22.1.1 Prallen rasch bewegte Teilchen auf ein ruhendes Tar- get, so wird der Großteil der Energie dazu verwendet, das ruhende Teilchen in Bewegung zu setzen – nur ein kleiner Energiebetrag steht für das eigentliche Streu- experiment zur Verfügung. Werden zwei gegenläufi- ge Teilchenstrahlen mit gleicher Energie zur Kollision gebracht, so dient die gesamte Energie der Teilchen- strahlen zum Streuversuch. Diese Technik wurde erst- malig 1971 im CERN realisiert, als zwei Protonenstrah- len mit je 31 GeV Energie im ISR (intersecting storage rings) kollidierten. A5 Bei einem ruhenden Target ergibt sich für die Schwerpunktsenergie: E m c E 2 t b 0 2 $ $ . , wobei m t die Masse des Targetteilchens und E b die Strahlenergie ist. Rechne die obigen Angaben für m t = m p nach! Wie ist der Zusammenhang E b und Schwerpunktsenergie bei einem Collider? schnelle Teilchen Target Detektoren 29 GeV stehen für den Streuprozess zur Verfügung Abb. 49.1 Prallen Teilchen mit der Energie von 450 GeV auf ein ruhendes Target, so entfallen nur 29 GeV auf den Streuprozess. schnelle Teilchen Fireball schnelle Teilchen Detektoren, Kalorimeter 900 GeV stehen für den Streuprozess zur Verfügung Abb. 49.2 Bei der Kollision zweier gegenläufiger Teilchenstrah- len von je 450 GeV steht die gesamte Energie von 900 GeV für den Streuprozess zur Verfügung. Beachte, dass der gemeinsame Schwerpunkt der Stoßpartner in Ruhe bleibt! BW8/S26, 35 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv