Vom Atomkern zur Supernova Die Synthese der Elemente

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Ursula Meissner
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1 Vom Atomkern zur Supernova Die Synthese der Elemente Prof. Dr. N. Pietralla, TU Darmstadt Saturday Morning Physics,

2 Periodensystem der chemischen Elemente Wie entstanden die chemischen Elemente? Physik als Mutter aller Naturwissenschaften

3 Vom Atomkern zur Supernova Die Synthese der Elemente Der Bauplan: Eine Reise in das Innere der Materie und in das Weltall Die Baustelle: Synthese der Elemente Der Himmel auf Erden: Experimente an der TU Darmstadt

4 Eine Reise in das Innere der Materie Sandstrand 1 Meter Siliziumdioxid-Kristall 0.1 mm

5 Eine Reise in das Innere der Materie Siliziumdioxid-Kristall 0.1 mm Si-Atom m pro Atom

6 Auflösungsvermögen und Wellenlänge Kleinste beobachtbare Struktur (Auflösungsvermögen) Wellenlänge der verwendeten Strahlung Auch Teilchen haben eine Wellenlänge: λ = h/p mit h=6.6 x Js und p = Impuls des Teilchens ~ E/c

7 Quantenmechanik Manche Größen sind Drehimpuls L: quantisiert, z.b.: Max Planck ( )

8 Quantenmechanik Atom und Atomkern

9 Quantenmechanik Manche Größen sind quantisiert, z.b.: Drehimpuls L: Energie E: (Bsp: H-Atom) Max Planck ( ) n=1 n=2 n=3 Energieniveau-Schema des Wasserstoff-Atoms

10 Quantenmechanik Manche Größen sind Drehimpuls L: quantisiert, z.b.: Energie E: (Bsp: H-Atom) Max Planck ( ) EM-Übergangsstrahlung: verschiedene Energien verschiedene Wellenlängen verschiedene Farben n=1 n=2 n=3 Energieniveau-Schema des Wasserstoff-Atoms

11 Quantenmechanik Spektrale Aufspaltung von Licht: E ~1/λ Spektroskopie

12 Spektroskopie von Gamma- Strahlung Elektromagnetisches Spektrum Übergänge im Atomkern Energie: ~ 100 kev- MeV Übergänge in der Atomhülle Energie: ~ 10 ev - 10 kev

13 Eine Reise in das Innere der Materie Si-Atom m pro Atom Darmstädter Elektronen Linear Beschleuniger Atomkern m pro Kern

14 Atomkern im Schulbuch Sind tatsächlich alle Atomkerne kugelförmig?

15 Sonden ins Innere des Atoms Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

16 Sonden ins Innere des Atoms Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

17 Sonden ins Innere des Atomkerns Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

18 Sonden ins Innere des Atomkerns Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

19 Sonden ins Innere des Atoms Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

20 Sonden ins Innere des Atoms Wie messe ich Größe und Form eines winzigen Objekts? Mess-Sonden Target Detektoren

Verschiedene Formen von Atomkernen Prolater Kern Zigarre z.b. Uran (U) Oblater Kern Diskus z.b. Platin (Pt) Hexadekupol Zitrone z.b. Neon (Ne), Silizium (Si) Wie kann man diese Formen beobachten?

21 Verschiedene Formen von Atomkernen Prolater Kern Zigarre z.b. Uran (U) Oblater Kern Diskus z.b. Platin (Pt) Hexadekupol Zitrone z.b. Neon (Ne), Silizium (Si) Wie kann man diese Formen beobachten? Stecke z.b. ENERGIE und IMPULS in den Kern und beobachte wie er reagiert!

22 Zusammensetzung des Atomkerns Si-Atomkern 3 x m 3 Quarks < m 14 Protonen und z.b. 14 Neutronen à 1 x m

23 Vom Sandstrand zum Atomkern 15 Größenordnungen: (eine Million Milliarden)

24 Eine Reise in das Weltall Sandstrand 1 Meter Erde km

25 Eine Reise in das Weltall Erde km Sonnensystem 1/1000 Lichtjahr (1x10 10 km)

26 Eine Reise in das Weltall Sonnensystem 1/1000 Lichtjahr (1x10 10 km) Supernova-Rest Radius:10 Lichtjahre (1x10 14 km) (1x10 17 m)

27 Vom Sandstrand zur Supernova 17 Größenordnungen: (100 Millionen Milliarden)

000.000.000.000.000.000.000.000.000 Wer soll das verstehen?

28 Vom Atomkern zur Supernova Sie! 32 Größenordnungen: Wer soll das verstehen? TU Darmstadt Saturday Morning Physics Prof. Dr. N. Pietralla 28

29 Die Baustelle Synthese der Elemente

Entstehen der Elemente nach dem Urknall Etwa 1/10.

30 Entstehen der Elemente nach dem Urknall Etwa 1/ Sekunde nach dem Urknall bilden sich aus den Quarks Kernbausteine, die PROTONEN und NEUTRONEN COBE

31 Wie entstanden die ersten Atomkerne? Beim Zusammenprall von Proton und Neutron können diese zu einem neuen Kern fusionieren: p + n Deuterium (d) Dieser neue Kern bleibt stabil, wenn die Temperatur nicht zu hoch ist. (T < 1 Milliarde Grad Celsius)

32 Die ersten Minuten nach dem Urknall In den ersten Minuten nach dem Urknall wird Wasserstoff, Helium und Lithium erzeugt. Dann stoppen die Fusionsprozesse zunächst.

33 Die Synthese schwerer Elemente Erst nach etwa 200 Millionen Jahren entstehen die ersten Sterne (Gravitation). Jetzt können auch schwere Kerne bis zum Nickel durch Fusionsprozesse erzeugt werden.

34 Aus Deuterium wird Silizium Helium Z=2 Deuterium Silizium Z=14

35 Das Ende der Fusionskette Diese direkten Fusionen sind nur bis zum Element Nickel (Z=28) energetisch möglich.

36 Nuklidkarte Periodensystem der Kernphysiker U Au

37 Die Synthese schwerer Elemente Für die Synthese vieler schwerer Elemente sind ruhige Brennphasen von Sternen bei Temperaturen um 100 Millionen Grad verantwortlich. (Neutroneneinfang, radioaktive Zerfälle)

38 Die Nukleosynthese der schweren Elemente s-prozess PROTONEN PROTONEN NEUTRONEN 30. Oktober 2012 Fachbereich Physik Institut für Kernphysik Enders/Pietralla/von Neumann-Cosel 38

39 Die Synthese schwerer Elemente Die Existenz mancher Elemente lässt sich aber nur durch Vorgänge bei Temperaturen von über einer Milliarde Grad erklären. SUPERNOVA-EXPLOSION Crab-Nebel

40 Die Supernova 1987A

41 Die Supernova 1987A im Jahr 2002

42 Die Nukleosynthese der schweren Elemente p- oder γ-prozess s-prozess PROTONEN PROTONEN NEUTRONEN 30. Oktober 2012 Fachbereich Physik Institut für Kernphysik Enders/Pietralla/von Neumann-Cosel 42 r-prozess

43 Das Ende der Fusionskette Urknall + Sternbrennen + Supernova = Qualitatives Verständnis der Elementsynthese Für ein quantitatives Verständnis benötigt man Experimente!

44 Der Himmel auf Erden Experimente an der TU Darmstadt

45 Voraussetzung für quantitatives Verständnis r-prozess im Bereich der sehr neutronenreichen Atomkerne z.t. nicht direkt messbar theoretische Vorhersagen brauche genaues Verständnis von Kräften zwischen vielen Protonen und vielen Neutronen

46 Wie erfahre ich etwas über die Kräfte zwischen zwei gekoppelten Systemen? (Protonen / Neutronen)

47 Didaktisches Analogon: 2 gekoppelte Pendel Beliebige Schwingung = Überlagerung von zwei Grundmoden Symmetrische Schwingung (beide in gleiche Richtung) Antisymmetrische Schwingung (in entgegengesetzte Richtung) Spiralfeder = Kopplungskraft

48 Experiment I Messe Frequenz der symmetrischen und der antisymmetrischen Mode in Abhängigkeit der Federstärke Frequenz der symmetrischen Schwingung hängt nicht von der Kopplungskraft ab Frequenz der antisymmetrischen Mode hängt von der Kopplungskraft ab Messe Frequenz der antiysmmetrischen Mode bestimme die Kraft zwischen den Pendeln

49 Schwingungen eines angeregten Atomkerns

50 Schwingungen von Weingläsern Resonanz: Schwingung mit großer Amplitude an der Resonanzfrequenz

51 Schwingung des Atomkerns durch elektromagnetischen Puls S-DALINAC Darmstadt Atomkern

52 Experimente an der TU Darmstadt Wie kann man die Kräfte zwischen Protonen und Neutronen im Labor untersuchen? 1.) Erzeugung eines Elektronenstrahls im relevanten Energiebereich 2.) Bestrahlung des Targetmaterials (z.b. Molybdän, Z=42, Isotop 94 Mo mit 52 Neutronen) 3.) Messung der Streurate (=Resonanzstärke) (Wieviele Elektronen werden gestreut?)

53 Der supraleitende Beschleuniger S-DALINAC

54 S-DALINAC at TU Darmstadt Source Electron Source 130 MeV Electron LINAC Experiments 10 MeV Injector: Photon Scattering / Photofission 2 < 30 MeV Tagger: Photodesintegration / Photon Scattering 3 Electron Spectrometers: Electron Scattering 3 3 Thanks to State of Hesse TU Darmstadt DFG 2. Sept Norbert 6th Tours Symposium Photonuclear Physics: From the S-DALINAC to ELI

55 Elektronenspektrometer Strahlführung Streukammer mit Target Dipolmagnet Nachweisdetektoren Messe Resonanzen des Kerns

56 Resonanzspektrum des Kerns 94 Mo Symmetrische Quadrupolschwingung asymmetrische Quadrupolschwingung Zunehmende Resonanzfrequenz des Atomkerns

57 94 Mo: the hydrogen atom for MS structure M1 as unique signature for MS states 12. Oct Norbert Exotic Nuclear Structure from Nucleons 2012 Exotic Ideas on Mixed-pn Symmetry

Bestimmung der Proton-Neutron- Kräfte in schwerem Atomkern Messe Anregungsenergien von symmetrischer und antisymmetrischer Kernschwingung Vergleich

Experimente an verschiedenen Atomkernen mit unterschiedlich vielen Protonen und Neutronen Verständnis von Entwicklung der Proton-Neutron-Kräfte

58 Bestimmung der Proton-Neutron- Kräfte in schwerem Atomkern Messe Anregungsenergien von symmetrischer und antisymmetrischer Kernschwingung Vergleich erlaubt Bestimmung der Kopplungsstärke zwischen Protonen und Neutronen (Oder überprüfe direkt quantitativ ein Kernstrukturmodell) Wiederhole gleiche Experimente an verschiedenen Atomkernen mit unterschiedlich vielen Protonen und Neutronen Verständnis von Entwicklung der Proton-Neutron-Kräfte Vorhersage der Kernstruktur für Atomkerne in Sternexplosionen Verwendung der so bestimmten Kernstrukturmodelle in quantitativen Simulationen der Elementsynthese in Supernovae

59 Die Elementsynthese Kernphysik + Sternmodelle = Quantitatives Verständnis der Elementsynthese im Physikstudium an der TU Darmstadt

60 Die Gruppe: Wissenschaftler, Mitarbeiter und StudentInnen

61 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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