Anfänge der Kern- und Teilchenphysik

Die Anfänge der Kern- und der Teilchenphysik liegen am Ende des 19. Jahrhunderts. Hallwachs, ein Student von H. Hertz, zeigte 1888, dass sich eine Metallplatte unter Bestrahlung mit ultraviolettem Licht elektrisch aufläd. Im folgenden Jahr konnte Lenard zeigen, dass es sich bei der emittierten Strahlung um Kathodenstrahlung handelte. Diese waren bereits 1858 von Plücker entdeckt worden. Diese Arbeiten waren Grundlage für Einsteins Theorie des Photoeffektes. 1892 konnte Lenard als Assistent von H. Hertz in Bonn die Kathodenstrahlen durch ein dünnes Fenster aus dem Vakuum austreten lassen, um mit ihnen zu experimentieren. Fünf Jahre später zeigte J. J. Thompson, dass das Verhältnis Masse zu Ladung ( m/e ) bei den Kathodenstrahlen viel kleiner ist als bei Ionen. Er nannte die Kathodenstrahlen Elektronen. 1897 fand Zeeman die Aufspaltung von Spektrallinien im Magnetfeld (Zeeman-Effekt). Dieser Effekt wurde von Lorentz in seiner Erweiterung der Maxwell’schen Theorie mit Elektronen erklärt. Sie fanden einen viel präziseren Wert für ( m/e ) und auch das negative Vorzeichen im Vergleich zu Ionen.

Eine ganz andere Strahlung fand 1896 Becquerel: Sie stammte aus dem Uran und schwärzte Photoplatten. Das Ehepaar Pierre und Marie Curie suchte weitere Strahler in der Pechblende und fanden dabei zwei neue Elemente: das Polonium und das Radium. Letzteres strahlt viel stärker als das Uran.

Als den Vater der Kernphysik kann man E. Rutherford bezeichnen. Er fand 1903, dass die radioaktive Strahlung aus 3 Komponenten bestand: α-, β – und γ-Strahlen. Die α – und β-Strahlen wurden in magnetischen Feldern in unterschiedliche Richtungen abgelenkt, sie haben also Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen. Im Gegensatz dazu ist die γ-Strahlung ungeladen. Die α-Strahlen konnten als _2^4 He-Kerne identifiziert werden, die β-Strahlen als Elektronen und die γ-Strahlen als elektromagnetische Wellen. Die Ursprünge dieser drei Strahlungen sind verschiedene Zerfallsprozesse in Kernen. Zu diesen drei Zerfallsprozessen gehören drei fundamentale Wechselwirkungen, die für die Zerfälle verantwortlich sind. α-Zerfälle werden durch die starke Wechselwirkung, β-Zerfälle durch die schwache Wechselwirkung und γ-Zerfälle durch die elektromagnetische oder CoulombWechselwirkung hervorgerufen. Das Studium dieser drei Wechselwirkungen sowie die durh sie bestimmte Struktur der subatomaren Materie sind Gegenstand dieses Buches. Die vierte fundamentale Wechselwirkung ist die Gravitation. Sie ist sehr viel schwächer noch als die schwache Wechselwirkung. Sie spielt daher bei den Objekten unseres Interesses keine Rolle. Die Teilchen, die an der starken Wechselwirkung teilnehmen, heißen Hadronen.

Sie können elektrisch geladen und ungeladen sein. Gleiches gilt für Teilchen, die nur an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen. Sie heißen Leptonen.

Die Radioaktivität A eines Strahlers, der aus N Teilchen besteht, ist

Integration ergibt

Daraus ergibt sich der Zusammenhang von Halbwertszeit und Zerfallskonstante

Die Lebensdauer ist durch

Mehr dazu in: Machner, Einführung in die Kern- und Elementarteilchenphysik, 2. Auflage, 978-3-527-41432-1