de | en

Nuclear, Particle, and Astrophysics for Students of Education

Module PH9117

This module handbook serves to describe contents, learning outcome, methods and examination type as well as linking to current dates for courses and module examination in the respective sections.

Module version of WS 2017/8 (current)

There are historic module descriptions of this module. A module description is valid until replaced by a newer one.

available module versions
WS 2017/8SS 2014

Basic Information

PH9117 is a semester module in German language at Master’s level which is offered in winter semester.

This Module is included in the following catalogues within the study programs in physics.

  • Physics Modules for Students of Education

If not stated otherwise for export to a non-physics program the student workload is given in the following table.

Total workloadContact hoursCredits (ECTS)
240 h 100 h 8 CP

Responsible coordinator of the module PH9117 is Stephan Paul.

Content, Learning Outcome and Preconditions

Content

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

Learning Outcome

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.

Preconditions

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

Courses, Learning and Teaching Methods and Literature

Courses and Schedule

Learning and Teaching Methods

In der thematisch strukturierten Vorlesung werden die Lehrinhalte im Vortrag präsentiert und durch anschauliche Beispiele sowie durch Diskussion mit den Studierenden vermittelt. Dabei werden insbesondere mit Querverweisen zwischen den behandelten Themen und bereits früher vermittelten Grundlagen die universellen Konzepte der Physik aufgezeigt. Die Studierenden werden auch zur eigenständigen inhaltlichen Auseinandersetzung mit den behandelten Themen sowie zum Studium der zugehörigen Literatur motiviert.

In den Übungen lernen die Studierenden in Kleingruppen nicht nur den Lösungsweg nachzuvollziehen, sondern Aufgaben auch selbstständig zu lösen. Hierzu werden Aufgabenblätter angeboten, die die Studierenden zur selbstständigen Kontrolle sowie zur Vertiefung der gelernten Methoden und Konzepte bearbeiten sollen. In den Übungen werden die unter der Woche gerechneten Aufgaben von den Studierenden und einer/m wissenschaftlichen Mitarbeiter(in) an der Tafel vorgerechnet und besprochen. Die Übung bietet auch die Gelegenheit zur Diskussion und weitergehende Erläuterungen zum Vorlesungsstoff und bereitet konkret auf die Prüfungen vor.

Die verschiedenen Lernformate sind eng verzahnt und befinden sich im ständigen Austausch.

Media

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

Literature

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)

Module Exam

Description of exams and course work

There will be an oral exam of about 40 minutes duration. Therein the achievement of the competencies given in section learning outcome is tested exemplarily at least to the given cognition level using comprehension questions.

For example an assignment in the exam might be:

  • Explain the working principle of a multi-wire proportional chamber.
  • What does the form factor of a particle describe?
  • How are mesons, baryons, and their antiparticles composed of quarks and antiquarks, respectively, in the constituent quark model?
  • Which exchange particles mediate the weak interaction?
  • Which symmetries are conserved in the three fundamental interactions of the standard model?
  • Which process makes the largest contribution to the energy production in the sun's interior?
  • How does the radius of a nucleus depend on the mass number?

Participation in the tutorials is strongly recommended since the exercises prepare for the problems of the exam and rehearse the specific competencies.

Exam Repetition

The exam may be repeated at the end of the semester.

Top of page