Physik exotischer Atomkerne
Physics of Exotic Nuclei

Modul PH2203

Diese Modulbeschreibung enthält neben den eigentlichen Beschreibungen der Inhalte, Lernergebnisse, Lehr- und Lernmethoden und Prüfungsformen auch Verweise auf die aktuellen Lehrveranstaltungen und Termine für die Modulprüfung in den jeweiligen Abschnitten.

Modulversion vom WS 2014/5

Von dieser Modulbeschreibung gibt es historische Versionen. Eine Modulbeschreibung ist immer so lange gültig, bis sie von einer neuen abgelöst wird.

verfügbare Modulversionen
SS 2015WS 2014/5

Basisdaten

PH2203 ist ein Semestermodul in Englisch oder Deutsch auf Master-Niveau das unregelmäßig angeboten wird.

Die Gültigkeit des Moduls ist bis WS 2014/5.

Soweit nicht beim Export in einen fachfremden Studiengang ein anderer studentischer Arbeitsaufwand ("Workload") festgelegt wurde, ist der Umfang der folgenden Tabelle zu entnehmen.

GesamtaufwandPräsenzveranstaltungenUmfang (ECTS)
300 h 100 h 10 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH2203 in der Version von WS 2014/5 war Stephan Paul.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

In den letzten Jahren ist es möglich geworden, Beschleunigerexperimente mit instabilen, teils sehr exotischen Teilchenstrahlen durchzuführen. Dies hat eine neue Welle von Erkenntnissen für die Erforschung der Kern-und Astrophysik erbracht, und führte zu zahlreichen neuen Anwendungen z.B. in der Festkörperphysik und der Medizin. Auch ergeben sich alternative Methoden für Tests des Standardmodells. All dies soll in dieser Vorlesung (4 Stunden/Woche) besprochen werden.

Exotische Atomkerne spielen eine wichtige Rolle in der Nukleosynthese, also bei der Entstehung der Elemente. So vollzieht sich die Entstehung der schweren Elemente über den sogenannten r-Prozess, bei dem sich mehr und mehr Neutronen an stabile Kerne anlagern. Ungefähr die Hälfte der schwereren Elemente auf der Erde sind ursprünglich über diesen Prozess entstanden, der z.B. in Supernovae abläuft. Die Eigenschaften der beteiligten Atomkerne können nun erstmals experimentell untersucht werden, so z.B. am CERN im Experiment "ISOLDE" ( http://isolde.web.cern.ch ).  In Darmstadt wird zur Zeit eine internationale Beschleunigeranlage zur Forschung mit Antiprotonen und Ionen gebaut (Gesamtkosten 1.6 Milliarden Euro), welche in der Zukunft ganz neue Möglichkeiten für solche Experimente mit sehr exotischen Ionenstrahlen ermöglichen wird. Unser Lehrstuhl ist stark in der Entwicklung neuer Aufbauten für dieses Großprojekt beteiligt (https://www.gsi.de/fair/). Zur Zeit forschen wir verstärkt am RIKEN Nishina Center in Tokyo (http://www.rarf.riken.go.jp/Eng/), wo wir z.B. versuchen zu messen, bis zu welchen Massen die Sternentstehungsprozesse ablaufen. Exotische Atomkerne sind auch ein ideales "Labor", um neue quantenmechanische Vielteilchenmodelle zu entwickeln, und hadronische Materie unter extremen Bedingungen, z.B. Neutronensterne, zu verstehen.

Mit instabilen Teilchenstrahlen ergeben sich auch neue Zugänge, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen. So kann z.B. das V_(ud) CKM Matrix-Element bestimmt werden, in dem man sehr präzise die Massen exotischer Atomkerne misst.  Die Möglichkeit, instabile Teilchenstrahlen herzustellen hat zu einer Vielzahl neuer Anwendungen geführt, wie z.B. in der Festkörperphysik (Mössbauer Spektroskopie, Hall-Effekt, Photoluminizenz-Spektroskopie und mehr). Für die Medizin ergeben sich ganz neue Möglichkeiten, spezielle Isotope (als tracer etc.) herzustellen, die für die jeweilige Anwendung genau die gewünschten chemischen und radioaktiven Eigenschaften haben. Auch diese Themen sollen in der Vorlesung ausführlich beleuchtet werden.

Diese Vorlesung soll einen aktuellen Überblick über dieses breite, aber trotzdem junge, Forschungsgebiet geben. Sie baut auf den Grundlagen der KTA-Intro Vorlesung auf. Es werden keine weiteren speziellen Kenntnisse vorausgesetzt. Wir werden einen gewissen theoretischen Rahmen erarbeiten, der einige Aspekte aus der KTA Vorlesung vertiefen soll.  Diese theoretischen Grundlagen haben breite Anwendung auch in anderen Gebieten der Physik und der Chemie und ermöglichen es uns dann, die neuen Experimente (CERN, GSI Darmstadt, RIKEN) und Anwendungen in der Festkörperphysik und Medizin zu besprechen.

In der Übung zur Vorlesung sollen einfachste Grundlagen zum Thema Programmierung und Simulation gelegt werden. Dies ist später hilfreich, um in verwandten Gebieten zu arbeiten.  Hierbei werden wir keine Grundvoraussetzungen der Programmierung verlangen und die Übung ist zum großen Teil auch nicht prüfungsrelevant. 

Die Studenten sind dazu eingeladen, vom 15-17 Dezember 2014 an einer Exkursion zum CERN Teil zu nehmen. Wir besuchen das 50-jährige Jubileum zur ISOLDE -Anlage, wozu ein Workshop mit internationaler Beteiligung statt findet. Dazu gibt es natürlich eine Führung im CERN, mit Schwerpunkt der ISOLDE Anlage, die zur Zeit ein upgrade ("HIE - ISOLDE") erhält. 

Diese Vorlesung kann wahlweise in deutsch oder englisch gehalten werden.

Einige Themen der Vorlesung im Überblick: 

- Nukleosynthese: die Entstehung der Elemente im Universum; 

- Vielteilchensyteme mit Drehimupuls, Schalenmodell und Tensor-Wechselwirkungen, Kollektive Phänomene

- Symmetrien in Atomkernen und Molekülen; analytische Modelle

- Veränderung der "magischen" Zahlen im Atomkern und ihr Einfluss auf die Häufigkeit der Elemente

- Die "Insel der Inversion"

- Produktion exotischer Teilchenstrahlen an Großforschungsanalgen

- Detekotor-Systeme: Silizum / HPGe / Szintillatoren / Avalanche Photodioden etc. 

- aktuelle Experimente an CERN /GSI / RIKEN zur Erforschung exotischer Kerne

- neue Tests des Standardmodells und Messungen zur CKM Matrix

- Anwendungen in der Medizin: Herstellung neuer Radioisotope etc. 

- neue Perspektiven der Festkörperphysik durch Verwendung instabiler Ionenstrahlen

 

Lernergebnisse

update soon

Voraussetzungen

keine Voraussetzungen jenseits des Bachelor-Niveaus.

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lern- und Lehrmethoden

Vorlesungs-Mitschrift, Folien

Medienformen

im Wesentlichen Tafelvortrag, ergänzt durch Folien zu den experimentellen Aufbauten etc.

Literatur

wird in der Vorlesung bekannt gegeben

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

In einer schriftlichen Prüfung wird das Erreichen der Lernergebnisse durch Verständnisfragen und Beispielaufgaben bewertet.

Die Prüfung kann in Übereinstimmung mit §12 (8) APSO auch mündlich abgehalten werden, in diesem Fall ist der Richtwert für die Prüfungsdauer 45 Minuten.

Wiederholbarkeit

Eine Wiederholungsmöglichkeit wird am Semesterende angeboten.

Kondensierte Materie

Wenn Atome sich zusammen tun, wird es interessant: Grundlagenforschung an Festkörperelementen, Nanostrukturen und neuen Materialien mit überraschenden Eigenschaften treffen auf innovative Anwendungen.

Kern-, Teilchen-, Astrophysik

Ziel der Forschung ist das Verständnis unserer Welt auf subatomarem Niveau, von den Atomkernen im Zentrum der Atome bis hin zu den elementarsten Bausteinen unserer Welt.

Biophysik

Biologische Systeme, vom Protein bis hin zu lebenden Zellen und deren Verbänden, gehorchen physikalischen Prinzipien. Unser Forschungsbereich Biophysik ist deutschlandweit einer der größten Zusammenschlüsse in diesem Bereich.