Kern-/Teilchenphysik

Kernphysik - Grundlagen

Protonenstreuung am Kern - Diskrete Kernniveaus

  • Wie sind Atomkerne aufgebaut?
  • Welche Kraft hält Atomkerne zusammen?
  • Warum können Atomkerne zerfallen?
  • Was sind Isotope?

Protonenstreuung am Kern - Diskrete Kernniveaus

Die folgenden Überlegungen sind zwar etwas langwierig, zeigen aber die grundsätzliche Vorgehensweisen in der Kernphysik:

Ähnlich wie in der Atomphysik die Atome durch Geschosse angeregt werden können (z.B. Elektronen beim Franck-Hertz-Versuch), gelingt die Anregung von Kernen ebenfalls durch Geschosse, deren kinetische Energie jedoch um viele Größenordnung höher sein muss als die kinetische Energie der Elektronen in der Atomphysik.

Als Beispiel soll die Protonenstreuung an Stickstoff näher behandelt werden. Der Versuch wurde von Bockelman et. al. durchgeführt. Aus einem Beschleuniger stammende Protonen der kinetischen Energie \(E_1=6,92{\rm{MeV}}\) wurden auf ein Nylon-Target geschossen. Die gestreuten Protonen wurden unter einem Winkel von \(90^\circ \) beobachtet.

Das untere Bild zeigt (vereinfacht), dass drei Gruppen von gestreuten Protonen auftraten, deren Produkt \(B \cdot r\) abzulesen ist (\(B\): magnetische Flussdichte; \(r\): Radius der Protonenbahn im \(180^\circ \)-Magnetspektrometer). Angeregte Kerne werden mit einem Stern (*) gekennzeichnet.

Aufgabe: Berechnung der Impulse und der kinetischen Energien der Protonen

a)

Berechnen Sie die Impulse der drei Protonengruppen.

b)

Berechnen Sie die kinetischen Energien der drei Protonengruppen.

Die folgende Abbildung, in die zusätzlich noch die Energie \(E_1\) der eingestrahlten Protonen eingezeichnet ist, zeigt die Energieverteilung der gestreuten Protonen:

Interpretation

Die kinetischen Energien der gestreuten Protonen sind allesamt niedriger als \(E_1\). Man könnte daher auf den ersten Blick meinen, dass es sich in allen drei Fällen um inelastische Stöße der Protonen mit den Stickstoffkernen handelt, welche dabei angeregt werden. Man muss sich allerdings klar machen, dass hier - anders als beim Elektronenstoß mit Atomen - das auftreffende Proton eine Masse hat, die nicht wesentlich kleiner als die Masse des Stickstoffkerns ist. Dabei kommt es unter Umständen auch bei einem elastischen Stoß zu einem Energieverlust des Protons, da der Stickstoffkern einen Rückstoß erfährt.

Aufgabe: Untersuchung der Stoßarten

a)

Berechnen Sie, welche kinetische Energie \(E_2\) ein gestreutes Proton hat, wenn man annimmt, dass der \(90^\circ \)-Stoß mit dem Stickstoff-14-Kern elastisch ist.

Tipp: Zeichnen Sie das Impulsdiagramm für den Stoß und arbeiten Sie mit der nichtrelativistischen Energie-Impuls-Beziehung.

b)

Berechnen Sie, welche Anregungsenergie \({E^*}\) der Stickstoffkern bei den inelastischen Stößen erhält, die zu den beiden anderen Protonengruppen führen.

c)

Stellen sie ein einfaches Termschema für den Stickstoffkern auf.

Fazit: Der Versuch zeigt, dass man beim Kern - ähnlich wie bei der Atomhülle - von diskreten Energieniveaus ausgehen kann.

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