Kern-, Teilchen- und Astrophysik für Lehramt
Nuclear, Particle, and Astrophysics for Students of Education

Modul PH9117

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 2017/8 (aktuell)

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

verfügbare Modulversionen
WS 2017/8SS 2014

Basisdaten

PH9117 ist ein Semestermodul in Deutsch auf Master-Niveau das im Wintersemester angeboten wird.

Das Modul ist Bestandteil der folgenden Kataloge in den Studienangeboten der Physik.

  • Module der Physik für Lehramtsstudierende

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)
240 h 100 h 8 CP

Inhaltlich verantwortlich für das Modul PH9117 ist Stephan Paul.

Inhalte, Lernergebnisse und Voraussetzungen

Inhalt

Inhalt des Moduls ist die konzeptionelle Vermittlung der Kern- und Teilchenphysik. Ausgehend von den experimentellen Methoden und Ergebnissen werden den Studierenden die physikalischen Grundkonzepte vermittelt. Dabei wird auch auf Verbindungen zur Astrophysik sowie zu technischen Entwicklungen, die im Alltag eine Rolle spielen, eingegangen.

Einführung

  • Bausteine der Materie und fundamentale Wechselwirkungen
  • Geschichte des Universums
  • Längen-, Energie- und Zeitskalen
  • Einheiten
  • Reichweite von Austauschteilchen
  • Auflösungsvermögen und Wellenlänge
  • Lorentzvektoren und Lorentzskalare
  • Luminosität und Wirkungsquerschnitt


Teilchenbeschleuniger

  • Kosmische Strahlung
  • Van-de-Graaff Beschleuniger
  • Zyklotron
  • Synchrotron
  • Strahlfokussierung
  • Linearbeschleuniger


Teilchendetektoren

  • Energieverlust von schweren, geladenen Teilchen (Bethe-Bloch-Formel)
  • Energieverlust von Elektronen und Positronen in Materie
  • Vielfachstreuung
  • Ionisationskammer
  • Gasverstärkung
  • Geiger-Müller-Zählrohr
  • Vieldrahtproportionalkammer
  • Driftkammer und Zeitprojektionskammer
  • Halbleiterdetektoren
  • Tscherenkow-Detektoren
  • Szintillatoren
  • Wechselwirkung von Photonen mit Materie
  • Nachweis von gamma-Strahlung
  • Photoelektronenvervielfacher
  • Kalorimeter


Theoretische Beschreibung von Streureaktionen

  • Wiederholung: Schrödinger-Gleichung
  • Klein-Gordon-Gleichung
  • Dirac-Gleichung
  • Feynman-Diagramme
  • Geiger-Marsden-Experiment
  • Rutherford-Wirkungsquerschnitt
  • Formfaktor
  • Mott-Wirkungsquerschnitt und Helizität


Atomkerne

  • Messung von Formfaktoren
  • Ladungsverteilung in Kernen
  • Kernradien und Kernmassen
  • Bindungsenergien von Kernen (Bethe-Weizsäcker Massenformel)


Kernbausteine (Nukleonen)

  • Anomales magnetisches Dipolmoment des Nukleons
  • Elastische Elektronenstreuung am Nukleon
  • Elektrische und magnetische Formfaktoren des Nukleons
  • Nukleonradius
  • Quasielastische Elektronenstreuung am Kern
  • Inelastische Elektronenstreuung am Nukleon


Quarks und Starke Wechselwirkung

  • Tiefinelastische Elektronenstreuung am Nukleon
  • Quark-Parton-Modell und Strukturfunktionen des Nukleons
  • Quarkflavors
  • Quarkproduktion in Elektron-Positron-Annihilation
  • Hadronisation und Jets
  • Entdeckung der charm-, bottom- und top-Quarks
  • Farbladung, Gluonen und Quantenchromodynamik
  • Analogie: Wassterstoffatom, Positronium und Quarkonia
  • QCD-Potential und Anregungsspektren von Charmonium und Bottomonium
  • Asymptotische Freiheit und Confinement


Konstituentenquarkmodell

  • Mesonen aus leichten Quarks
  • Isospin-Symmetrie
  • Pseudoskalare Mesonen, Vektormesonen und Mesonen mit höheren Spins
  • Mesonenzerfälle
  • Baryonen aus leichten Quarks
  • Baryonen-Multipletts
  • Spin-Flavor-Wellenfunktion von Proton und Neutron
  • Magnetische Momente von Baryonen
  • Massen von Hadronen aus leichten Quarks
  • Weitere Hadronen


Schwache Wechselwirkung: Einführung

  • Materieteilchen des Standardmodells
  • Arten der schwachen Wechselwirkung
  • Leptonische, semileptonische und hadronische Prozesse (geladener Strom)
  • Leptonzahlerhaltung und Leptonfamilienzahlerhaltung
  • Universalität der schwachen Wechselwirkung
  • Quarkmischung
  • Schwache Wechselwirkung über neutralen Strom
  • Neutrinomischung, Neutrinooszillationen und Neutrinomassen


Symmetrien

  • Diskrete Symmetrien C, P und T
  • Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung
  • CP-Symmetrie
  • CPT-Theorem


Schwache Wechselwirkung und das Standardmodell der Teilchenphysik

  • Helizität, Chiralität und schwache Wechselwirkung
  • V-A-Theorie
  • Zerfall von Myon und Pion
  • Eigenschaften der W- und Z-Bosonen
  • Anzahl der leichten Neutrinofamilien und Z-Zerfall
  • Elektroschwache Vereinheitlichung, Symmetriebrechung und Higgs-Mechanismus
  • Entdeckung des Higgs-Bosons am LHC
  • Zusammenfassung: Standardmodell der Teilchenphysik
  • Physik jenseits des Standardmodells


Kernkraft

  • Nukleon-Nukleon-Potential
  • Erlaubte Zustände des NN-Systems
  • Das Deuteron
  • Natur der Kernkraft
  • Meson-Austausch
  • Yukawa-Potential


Kernmodelle

  • Fermi-Gas-Modell
  • Neutronensterne
  • Schalenmodell
  • Deformierte Kerne


Kernzerfälle

  • Zerfallsgesetz
  • beta-Zerfall, doppelter beta-Zerfall und neutrinoloser doppelter beta-Zerfall
  • alpha-Zerfall
  • Kernspaltung
  • Nukleare Kettenreaktion und kritische Masse
  • Wechselwirkung von Neutronen mit Materie
  • Kernreaktor
  • Natürliche Radioaktivität


Kernfusion

  • Kernfusion in der Sonne
  • Fusionsreaktor

Lernergebnisse

Die Studierenden werden einen Gesamtüberblick über das Fachgebiet erhalten. Nach der erfolgreichen Teilnahme an dem Modul sind die Studierende in der Lage:

  1. die grundlegende Funktionsweise von Beschleunigeranlagen sowie von Detektorsystemen zu verstehen.
  2. die elementaren Bestandteile der Materie und ihre fundamentalen Wechselwirkungen zu kennen und wiederzugeben.
  3. die der Kern- und Teilchenphysik allgemein zu Grunde liegenden theoretischen Konzepte und Modelle zu kennen und wiederzugeben.
  4. zu verstehen, wie sich Mesonen, Baryonen und Kerne aus den elementaren Bestandteilen zusammensetzen
  5. die wichtigsten Phänomene und Anwendungen der Kern- und Teilchenphysik zu kennen und wiederzugeben.
  6. die Bedeutung der Kern- und Teilchenphysik für die Astrophysik zu verstehen.

Voraussetzungen

PH0001, PH0002, PH0003, PH0004, PH0005, PH0006, PH0007

Lehrveranstaltungen, Lern- und Lehrmethoden und Literaturhinweise

Lehrveranstaltungen und Termine

ArtSWSTitelDozent(en)Termine
VO 4 Kern-, Teilchen- und Astrophysik für Lehramt Grube, B. Mi, 12:00–14:00, PH 2271
Do, 12:00–14:00, PH 2271
UE 2 Übung zu Kern-, Teilchen- und Astrophysik für Lehramt Grube, B. Termine in Gruppen

Lern- und Lehrmethoden

Vorlesung: Frontalunterricht

Übung: In Arbeitsgruppen wird der Stoff an Hand von Übungsaufgaben diskutiert, vertieft bzw. weitergehend erläutert. Die Aufgaben bereiten auf die mündliche Abschlussprüfung vor.

Medienformen

  • Präsentation bzw. digitaler Presenter
  • Offline Videostreaming der Vorlesung (MP4)
  • Vorlesungsmaterial zum Download
  • Übungsaufgaben und Lösungen zum Download
  • Beispielvideos (z.T. zum Download)
  • Links zu begleitenden Informationen im Internet

Literatur

Teilchenphysik

  • B. Povh: Teilchen und Kerne (Springer)
  • H. Frauenfelder und E. Henley: Subatomare Physik (Oldenbourg)
  • D. Perkins: Introduction to High Energy Physics (Cambridge)
  • B.R. Martin and G. Shaw: Particle Physics (Wiley & Sons)
  • F. Halzen and A.D. Martin: Quarks and Leptons (Wiley & Sons)
  • H.V. Klapdor-Kleingrothaus: Teilchenphysik ohne Beschleuniger (Teubner)


Kernphysik

  • K.S. Kane: Nuclear Physics (Wiley & Sons)
  • W.N. Cottingham: Introduction to Nuclear Physics (Cambridge)
  • W.T. Hering: Angewandte Kernphysik (Teubner)
  • Y.M. Tsipenyuk: Nuclear Methods in Science and Technology (IOP Publishing)


Beschleuniger und Teilchendetektoren

  • K. Kleinknecht: Detectors for Particle Radiation (Cambridge Univ.)
  • K. Wille: Physics of Particle Accelerators (Oxford. Univ.)
  • W.R. Leo: Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments (Springer)
  • R. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger (Springer)


Schulbücher

  • Fokus Physik - Gymnasium Bayern 12 (Cornelsen)
  • Physik Gymnasium Bayern 12 (Duden)

Modulprüfung

Beschreibung der Prüfungs- und Studienleistungen

Das Erreichen der Lernergebnisse wird anhand einer schriftlichen Prüfung bewertet. Die Teilnahme am Übungsbetrieb wird dringend empfohlen.

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.