Synthese schwerer Elemente:

s- und r-ProzessTobias Heil

6. Vortrag des Seminar über Nukleare Astrophysik und Anwendungen – SS04

Institut für Kern und Teilchenphysik

Universität Münster

Inhalt des Vortrags

- Möglichkeiten zur Bildung von .“Trans-Iron“ Elementen

- s-Prozess- r-Prozess- rp-Prozess- Vergleich der drei Prozess- Beispiele aktueller Forschung

Möglichkeiten zur Bildung von “Trans-Iron“ Elementen

=> Bildung schwerer Elemente nicht durch Fusion möglich

Möglichkeiten zur Bildung von “Trans-Iron“ Elementen

• Fusion keine Möglichkeit

• Protoneneinfang:

(Z,A) + p (Z+1,A+1) +

• Neutroneneinfang

(Z,A) + n (Z,A+1) +

Endpunkt: 209Bi

Der s(low)-Prozess

Zur Bestimmung der zeitl. Änderung von NA:

tNtvtNtNvtNtNdt

tdNAAAnAAn

A

11

)(

~ Neutroneneinfangquerschnitt

v ~ Relativgeschwindigkeit zwischen Kern und Neutron

Nn ~ Neutronendichte

NA ~ relative Häufigkeit des Kernes mit Massenzahl A

~ -Zerfallsrate

Der s(low)-Prozess

1. Vereinfachung: = 0 für quasistabile Isotope2. Vereinfachung: T = const. für den s-Prozess

=> vA =AvT =AvT

A ~ A für boltzmannverteilte Neutronenenergie

AAAAnTA NNtNv

dt

tdN 11

)(

Im Gleichgewicht gilt: A-1NA-1ANA = 0

=> Das Produkt aus Aund NAist konstant

tNtvtNtNvtNtNdt

tdNAAAnAAn

A

11

)(

Der s(low)-Prozess

per Time of Flight - Messung wird En gemessen

Nachteile: Bremsstrahlung, Länge von über 50 m

Experimentelle Bestimmung von A

Messung von A über Aktivierung der Probe

En-Verteilung wird Kollimation simuliert

Nachteil: Nur bei Isotopen mit ½ ≤ 0,5 a möglich

Experimentelle Bestimmung von A

Experimentell bestimmtes A für kT=30keV:

Bemerkenswerts:- Kleines A für die mag. Neutronenzahlen N = 8,20,28,50,82,126- je schwerer der Kern, desto größer A und desto kleiner NA

Experimentelle Bestimmung von A

Ausnutzung des sog. “Branching“Beispiel 148Sm-150Sm Vergleich:

für 150Sm größer als für 148Sm aufgrund Zuwächse über 147Nd, 148Pm und 149PmDurch Analyse verschiedener

Branchings => Nn = (4,1± 0,6)*108 n/cm³

Bestimmung von Nn

Bestimmung von T

=> durch Ermittlung der überschüssigen Menge von 176Hf Bestimmung von T möglich

=> Temperatur während des s-Prozess T = (3,0± 0,5)*108 K

(Berechnet aus mehreren Branchings)

½ bei 176Lu temperaturabhängig

Bestimmung von T

Vorraussetzungen für den s-Prozess:

• Nn ~ 4*108 n/cm³

• T ~ 3*108 K

• Beides stabil für mehr als 1000 Jahre

Kriterien werden erfüllt beim Heliumbrennen

in roten Riesensternen

Ort des s-Prozesses

Neutronenquelle beim Heliumbrennen:

22Ne + 4He 25Mg + n

13C + 4He 16O + n

Ort des s-Prozesses

Hinweis für die Entstehung schwerer Elemente in Sternen:Die Entdeckung von Technetiumlinien in der Atmosphäre von Kohlenstoffsternen (rote Riesen)

• Technetium ist instabil!• Langlebigstes Isotop 98Tc zerfällt mit

½= 4,2*106 a in 98Ru

Ort des s-Prozesses

=> Technetium muss in diesen Sternen erzeugt worden sein

43Tc - Technetium

Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?1. Der s-Prozess kann die Peaks 5-10 Masseeinheiten unterhalb der magischen Neutronenzahlen in der solaren Isotopenverteilung nicht erklären

Der r(apid)-Prozess

Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?

2. Der s-Prozess kann kein 232Th, 235U und 238U erzeugen

Der r(apid)-Prozess

Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?3. Der s-Prozess kann einige neutronenreiche Isotope nicht erzeugen

Der r(apid)-Prozess

Der r(apid)-Prozess

Endpunkt: unbestimmt (irgendwo bei A = 270)

s-,r- und sr-Isotope

“nur r“-Isotope schirmen “nur s“-Isotope vor dem r-Prozess ab

Der r-Prozess

• Da >> n , Nn ≥ 1024 n/cm³ notwendig (für n=1s)

• Eine Temperatur T ~ 109 K

=> Mögliche Orte: - Typ II Supernovae - Neutronensternverschmelzungen

Vorraussetzungen (für Modellrechnungen):

Ort des r-Prozesses

Explosives Heliumbrennen in SN Typ II:

Schockfront durchläuft äußere Schichtenwodurch Dichte und Temperatur erhöht wird=> r-Prozess Bedingungen in He-Schale

für wenige Sekunden

Neutronenquellen ebenso wie bei s-Prozess:

22Ne + 4He 25Mg + n

13C + 4He 16O + n

Ort des r-ProzessesVergleich Berechnung - solarer Verteilung:

Ort des r-ProzessesNach -Zerfall innerhalb 1010 Jahren:

(Berechnungen stammen aus den 80er Jahren)

• Ähnlich wie r-Prozess, allerdings Protoneneinfang anstatt Neutronen

• Erklärung für „nur p“-Isotope

• äußerst geringer Anteil an s- und rs-Isotopen

Der r(apid)p(roton)-Prozess

Relative Anteile an Elementen (Bsp Xe):

Vergleich der drei Prozesse

p-Isotope mit 0,18% verschwindend gerings-Isotope ~ 6% r-Isotope ~ 19,3%

Vergleich der drei Prozesse

s-Prozess

T ~ 3*108 K

Nn ~ 4*108 n/cm³

> 1000 Jahre

209Bi

Heliumbrennen

r-Prozess

T ~ 109 K

Nn ~ 1024 n/cm³

~ 1 sec

A ~ 270

Typ II SN,

NStarMergers

rp-Prozess

T ~ 109 K

?

~ 1 sec

?

Typ II SN

Beispiele aktueller Forschung

• bekannte A genauer bestimmen

• Eigenschaften von Isotope weit ab des Stabilitättals experimentell ermitteln

• r-Prozess als dynamischen Modell?• Rolle der Neutrinos beim r-Prozess?• rp-Prozess besser verstehen• Andere Erklärungen für r- und p-

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