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Die Struktur der Materie im Überblick

Die Struktur der Materie im Überblick. Auge plus Lupe: ~1/10 mm 10 fach vergrößert. Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer) 1000 fach vergrößert. Objekte sichtbar machen. bloßes Auge: ~ 1mm. Immer noch keine Bausteine sichtbar Wie groß sind die eigentlich ?. Dazu nötig:

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Die Struktur der Materie im Überblick

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Presentation Transcript

  1. Die Struktur der Materie im Überblick

  2. Auge plus Lupe: ~1/10 mm10 fach vergrößert • Auge und Mikroskop: ~ 1/1000 mm = 1 µm (Mikrometer)1000 fach vergrößert Objekte sichtbar machen • bloßes Auge: ~ 1mm • Immer noch keine Bausteine sichtbar • Wie groß sind die eigentlich ?

  3. Dazu nötig: • Größe der Projektile << Größe der Strukturen • Treffgenauigkeit << Größe der Strukturen Wie kann man 0.001 µm „sehen“? • Was heisst überhaupt „sehen“ ? • Sehen = Abbilden Wurfgeschoß (Projektil)  Zielobjekt  Nachweisdetektor • Wichtig: „Auflösungsvermögen“

  4. Unbekanntes Objekt in einer Höhle • Projektil: Basketbälle

  5. Projektil: Tennisbälle

  6. Projektil: Murmeln ...Nichts wie weg !

  7. Objekte mit Wellen sichtbar machen

  8. Verfügbare Wellenlängen eletromagnetische Wellen

  9. Erkenntnisse der Quantenphysik Entdeckung: Lichtwellen haben Teilcheneigenschaft (Photoeffekt) Entdeckung: Teilchen haben Welleneigenschaft (Elektronenmikroskop)

  10. Photoelektischer Effekt: Energie Erhaltung h h e- e- e- e- Elektron Energie Elektron Energie Ee=h- Ebinding Emax= h- eUwork

  11. Huygens: Welle Interferenz und Beugung z.B. Thomas Young Doppelspalt (1801)

  12. Atome als Wellen Eintrittsschlitz 2mm He* inkohärent l = 0.47 Å 1mm 8mm • angeregtes Helium zum einfacheren Nachweis • Wellenlänge (i.e. Geschwindigkeit) muss “scharf” sein • Schlitze!! Carnal&Mlynek, PRL 66,2689)1991 Graphik: Kurtsiefer&Pfau

  13. 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) • ...

  14. allgemeiner Zusammenhang: Energie: 1 Elektron Volt = 1 eV = 1.6 1019 Joule

  15. Die Mikroskope der Teilchenphysiker: Beschleuniger 1 eV=1.6 10-19 Joule

  16. Funktionsprinzip:Simulation • Linearbeschleuniger: • Fermilab, Chicago (in Betrieb) • DESY, Hamburg (in Planung) Die Mikroskope der Teilchenphysik: Beschleuniger • Haben Sie auch daheim!

  17. kleiner Atomkern aus Protonen und Neutronen • umgeben von riesiger Elektronenhülle Die Struktur des Atoms • 1911 Beschuss mit Heliumkernen auf Goldfolie Größe: 1.5 fm, Treffgenauigkeit: 1 fm Atomdurchmesser: 100.000 fmharter Kern: 5 fm • 1919 Rutherford: Heliumkerne auf Stickstoff Beobachtung einzelner Protonen • 1932 Chadwick: Heliumkerne auf Beryllium Beobachtung einzelner Neutronen

  18. Bausteine der Atomkerne

  19. Das Quark-Gluon-Plasma

  20. Das Quark-Gluon-Plasma

  21. Die Augen der Teilchenphysik: Detektoren CERN, Genf, bis 2000 Elektronische Bilder

  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 ?

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