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Super Heavy Elements (SHE)

Herstellung und Nachweis von superschweren Elementen

2003-07-02 Thomas Bauer

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Übersicht

• Entstehung der Elemente in unserem Universum

• Herstellung von superschweren Elementen

• Klassische Massenspektrographie

• Nachweis von superschweren Elementen mit dem Geschwindigkeitsfilter SHIP

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Entstehung der Elemente

• Urknall– Vor ca. 15 Milliarden Jahren

• Synthese im interstellaren Medium– Bedingt durch kosmische Strahlung

• Synthese innerhalb der Sterne– ca. eine Milliarde Jahre nach dem Urknall bis

heute

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Der Urknall• Gesamte Materie und Energie existieren

als Elementarteilchen in einem Feuerball von weit über 1010K

• Abkühlung auf 1010K: Photonen, Elektronen/ Positronen, Neutrinos/ Antineutrinos und Protonen/ Neutronen entstehen und koexistieren

1 1

1 1

H e n

n e H

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Der Urknall

• Universum breitet sich weiter aus

• Abkühlung des Universums auf ~109K

• Neue Atomkerne entstehen:

HnH 211

HeHHHnH 413312 ;

HenHeHeHH 413312 ;

LieBeBeHeHe 77743 ;

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Der Urknall

• Nach ca. 3 Minuten hat sich das Universum soweit ausgebreitet und abgekühlt, dass keine Kernverschmelzungen mehr möglich sind („Urknall beendet“)

• Die restlichen Neutronen zerfallen zu Wasserstoff:

1 1n H e

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Der Urknall

• Die übriggebliebenen Protonen und Neutronen sind für den großen Anteil an H in unserem Universum verantwortlich

• Die primäre Kernreaktion des Urknalls ist die Produktion von 4He

• 98% der Elemente in unserem Universum sind Wasserstoff und Helium

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Synthese im interstellaren Medium

• Kosmische Strahlung in Form von sehr schnellen H und He-Kernen (~1016eV)

• Reaktion zwischen dieser Strahlung mit Helium, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff => Lithium, Berillium und Bor entstehen

• Reaktionen finden bei Energien statt, die weit höher sind, als die des Urknalls aber in einer sehr geringen Dichte.

• Die Temperatur ist also niedrig und daher spalten sich die Li-, Be- und B-Kerne nicht sofort wieder auf („sie verbrennen nicht“)

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Synthese innerhalb der Sterne

• Betrachten die Evolution eines Sterns– Besteht zum größten Teil

aus Wasserstoff– Gravitation zieht den

Stern zusammen– Wärmestrahlung wirkt

Kontraktion entgegen

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Synthese innerhalb der Sterne

• Wasserstoffbrennen– Wahrscheinlichkeit

für Protonenver-schmelzung:1/14Mrd Jahre!

– Aber: Sehr große Anzahl an Reaktionspartnern!

MeVHeH 7.26224 41

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Synthese innerhalb der Sterne

• Einige Milliarde Jahre später hat sich der Stern zu einem 2-Komponenten-System entwickelt

H

He

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Synthese innerhalb der Sterne

• Im Kern sind Bedingungen entstanden (108K und104 g/cm3), die eine neue Kern-reaktionen zulassen: Helium-Verbrennung

CHeBe

srLebenssaueBeHeHe1248

16844 )10(

OCHe 16124

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Synthese innerhalb der Sterne• Der Stern verändert sich mit der Zeit zu

einem 3-Komponenten-System:– 16O und 12C können unter den vorliegenden

Bedingungen aufgrund ihrer Abstoßung nicht verschmelzen H

He

16O 12C

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Synthese innerhalb der Sterne

• Weitere Kontraktion des Kerns durch Gravitation

• Ab einer Temperatur von 5x108K und einer Dichte von 5x105g/cm3 sind neue Kernreaktionen möglich:

HeMgOC

HeSiOO

HeNeCC

4241612

4281616

4201212

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Synthese innerhalb der Sterne

• Entwicklung des Aufbaus höherer Temperatur und höherer Dichte stoppt nach der Produktion von 56Fe– Zu diesem Zeitpunkt liegen

alle Elemente bis zum 56Fe in dem Stern vor.

– 56Fe ist stabilster Kern, daher setzt Fusion keine Energie mehr frei!

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Synthese innerhalb der Sterne

• Wenn die Anfangsmasse des Sterns mindestens 4 Sonnenmassen beträgt, kommt es zur Katastrophe:

• Da nicht mehr genügend Energie durch Fusion freigesetzt wird, bringt die Gravitation den Stern zum Kollaps: Supernova

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Supernova

• Implosion findet innerhalb einer Sekunde statt!• Die Temperatur und Dichte erhöht sich ein

weiteres mal: 109K und 108g/cm3

• Eisen-Kerne brechen unter diesen Bedingungen auseinander:

neH

nHHe

nHeFe

11

114

1456

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413

=> Es wird eine große Anzahl an Neutronen produziert

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Supernova

• Die Neutronen können das Eisen anreichern und weitere Kerne erzeugen: 57Fe, 58Fe bis 79Fe

• Neutronen können in dem Kern durch beta-Zerfall in Protonen zerfallen

• Durch die Aufnahme von Neutronen und des Zerfalls von Neutronen in Protonen entstehen alle Elemente bis zum Uran

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Entstehung der Elemente in unserem Universum - Zusammenfassung

• Durch den Urknall und Kernreaktionen im insterstellaren Medium und im Sterneninneren sind eine Vielzahl von Elementen mit unterschiedlicher Häufigkeit entstanden

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Superheavy Elements

• Gibt es auch noch stabile Elemente schwerer als Uran?– In der Natur vergeblich gesucht – Lohnt sich die Suche?– Theorien haben sich erst in den letzten Jahrzehnten entwickelt.

• Tröpfchenmodell: gute Vorhersagen für Bindungsenergie und Masse, ABER keine Aussagen über Neutronen/Protonen-Konfiguration

• Schalenmodell: bestimmte magische Zahlen für besonders stabile Kerne: 2,8,20,28,50,82 (zusätzlich 126 für Neutronen)

– Einstimmige theoretische Überlegungen: 114 ist nächste magische Zahl für Protonen, 184 für Neutronen

– Weitere Berechnungen: Element 114 mit 184 Neutronen ist relativ stabiles Element auf einer „kleinen Insel von stabilen Elementen umgeben von einem See aus unstabilen Elementen“

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Karte der Elemente

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Synthese von Superheavys

• Von 1940 bis heute 3 Strategien– Neutronenbestrahlung (1940-1952)– Heiße Fusion (1952-1974)– Kalte Fusion (ab 1974)

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Neutronenbestrahlung (~1940)

• Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen

eAmPunPu 24195

24194

23994 2

ePuNp 23994

23993

eNpnU 23993

23892

• Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium)– Fermium besitzt kein Isotop mit - -Zerfall!

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Heiße Fusion (~1952)

• Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen

• Schema:

• Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium)

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Kalte Fusion (~1974)

• Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen

• Einschussenergie: muß den Kernen erlauben, gerade eben die Coulomb-barriere zu überwinden

• „Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.“

• Schema: P + T CN + n

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Nachweis von verschiedenen Kernen

• Grundsätzliche Ausnutzung der unterschiedlichen Ablenkungen von verschieden schnellen/ schweren geladenen Atomen im e.m. Feld.

• Einfachste und älteste Methoden:– Parabelmethode (E und B parallel)– Wien-Filter (E und B senkrecht)

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Parabelmethode

• Ablenkung nach „unten“:

• Ablenkung zur „Seite“ :

2

2

2 vm

lEey

vm

lBex

2

2

222

2x

e

m

Bl

Ey

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Massenspektrographie von SHE

• Verschiedene Probleme:– Produktionsraten sehr gering: ~1SHE/ Tag– Filterung aus der Flut von Strahlteilchen: 3

Billionen Strahlteilchen pro Sekunde

• Bekannte Eigenschaften von SHE– Zerfallen größtenteils durch -Emission mit

Halbwertszeiten von Mikrosekunden bis einige Tage

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Seperator for Heavy Ion Products (SHIP)

- 11 Meter lang

- Vakuumbedingungen

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SHIP – Target

• Rad besteht aus Pb oder Bi-Folie (100-500) g/cm2 und dreht sich mit 1000 U/min

• Niedrige Schmelz-temperaturen begrenzen den maximalen Strahl auf 2x1012 Teilchen/s– Kühlung durch Metallplatten

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SHIP – Quadrupol Linsen

• Linsen fokussieren den Strahl– Nötig wegen Streuung

am Target

– Maße• Radius: 7.5cm

• Länge: 25cm

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SHIP – Velocity Filter

• Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer

• E- und B-Feld stehen senkrecht

PTPPCN vmmmv ))/((

0

totelmag

el

mag

FFF

EqF

BvqF

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SHIP – Velocity Filter

• Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit

• Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt

B

Ev

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SHIP

• Strahl ist nun grob gefiltert, aber– Teilchen mit hoher Geschwindigkeit können

den Filter ohne Probleme passieren– Teilchen mit zufällig gleicher Geschwindigkeit

wie die SHE passieren den Filter ebenfalls

• Lösung ist der 5. Dipolmagnet

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SHIP – 5. Dipolmagnet

• Lenkt den Strahl um 7.5° ab

• Sehr schnelle Teilchen werden weniger abgelenkt

• Zufällig gleichschnelle Teilchen werden aufgrund ihrer niedrigeren Energie mehr abgelenkt

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SHIP - Detectors

• time of flight-detector (tof)– Besteht aus dünnen C-

Folien (2 oder 3 hintereinander)

• Stop-detector– Besteht aus 7

identischen 16-Streifen Silizium-Detektoren und drei Germanium-Detektoren

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SHIP - tof

• Gibt an, wenn ein SHE-Kandidat den Geschwindigkeitsfilter passiert hat

• Grobe Massenbestimmung (±10%)

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SHIP – Stop-Detektor

• Ortsempfindliche Silizium-Sperrschichtzähler bestimmen Auftreffort und Energie

• Zerfallsketten können dort beobachtet werden (Mutter-, Tochter, Enkelinkern usw.): Korrelationsmethode

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Typische Beobachtung im Detekor

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Erste Erfolge des SHIP-Projekts (1998)

• Produktion und Nachweis von– 1981: Element 107 (Bohrium)

• 77 Atome

– 1982: Element 109 (Meitnerium)• 14 Atome

– 1984: Element 108 (Hassium)• 100 Atome

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Überblick der von SHIP untersuchten Isotope (1987)

Ru

Bh

Hs

Mt

Sg

Db

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Weitere jüngste Erfolge des SHIP-Projekts (1998)

• Produktion und Nachweis von– 1994 Element 110 (Darmstadtium)

• 13 Atome

– 1994 Element 111 (Unununium)• 3 Atome

– 1996 Element 112 (Ununbium)• 2 Atome

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Fragen und Antworten

• Zusammenfassung des Inhalts:– Entstehung der Elemente– Herstellung von superschweren Elementen– Nachweis von superschweren Elementen mit

dem Geschwindigkeitsfilter SHIP