Die Struktur der Materie im Überblick
Objekte sichtbar machen
• bloßes Auge: ~ 1mm
Immer noch keine Bausteine sichtbar
Wie groß sind die eigentlich ?
• Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert
• Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert
• Was heisst überhaupt „sehen“ ?• Sehen = Abbilden
Wie kann man 0.001 µm „sehen“?
• Wichtig: „Auflösungsvermögen“ • Dazu nötig:1. Größe der Projektile << Größe der
Strukturen2. Treffgenauigkeit << Größe der
Strukturen
Wurfgeschoß (Projektil) Zielobjekt Nachweisdetektor
Unbekanntes Objekt in einer Höhle
• Projektil: Basketbälle
• Projektil: Tennisbälle
• Projektil: Murmeln
...Nichts wie weg !
Objekte mit Wellen sichtbar machen
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
hE
Erkenntnisse der Quantenphysik
Entdeckung:Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft
(Photoeffekt)
phc
hE
Entdeckung:Teilchen haben Welleneigenschaft
(Elektronenmikroskop)
p
h
Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung
h
e-
e-
e-
e-
h
Elektron Energie
Emax= h- eUwork
Elektron Energie
Ee= h- Ebinding
Huygens: Welle
Interferenz und Beugungz.B. Thomas YoungDoppelspalt (1801)
He*
inkohärent l = 0.47 Å
Eintrittsschlitz 2mm
Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991Graphik: Kurtsiefer&Pfau
1m 8m
•angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis•Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein•Schlitze!!
Atome als Wellen
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 keVPunktförmig (< 0.001 fm)Treffgenauigkeit: 0.00001 µm (~ 1/10 Atomradius (!) (!) )
• Protonen bei 2 GeV Größe: 1 fmTreffgenauigkeit: 0.1 fm (~ 1/10 Protonradius)
• ...
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
MeVEm /1024.1 12
Energie:1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 1019 Joule
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/Elektron
<10-18 m 1 TeV=1012 eV
1 eV=1.6 10-19 Joule
Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger
• Haben Sie auch daheim!
• Funktionsprinzip:Simulation
• Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in
Betrieb)• DESY, Hamburg (in
Planung)
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 Neutronen• umgeben von riesiger Elektronenhülle
Bausteine der Atomkerne
Das Quark-Gluon-Plasma
Das Quark-Gluon-Plasma
Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren
Elektronische Bilder
CERN, Genf, bis 2000
Suche nach Bausteinen der Materie Blasenkammeraufnahme
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 ?