Moderne Alchemie Die Jagd nach den schwersten Elementen 1

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1 Moderne Alchemie Die Jagd nach den schwersten Elementen 1 D. Ackermann, University of Mainz/GSI Ursprung und Geschichte Verständnis der Struktur der superschweren Kerne Synthese und Nachweis Ausloten der Grenzen der Stabilität 1Gottfried Münzenberg und Matthias Schädel: Moderne Alchemie Die Jagd nach den schwersten Elementen, Vieweg-Reihe Facetten

2 Ursprung und Entwicklung der Elemente Periodensystem der Antike: Die 4 Elemente Elemente Demokrit: Atomos Das Unteilbare Grundlage der chemischen Heute bekannt: Elemente Ordnungszahl oder Elementnummer 112 Elemente Z

3 Kernphysik das Werkzeug zur (künstlichen) Elementsynthese I Nuklidkarte -Anordnung der Isotope in der Z-N-Ebene -Isotop: Atome (Kerne) eines Elements mit unterschiedlicher Neutronenzahl Pb (Blei) und Bi (Bismuth) Z = 100 Insel der Stabilität? U (Uran) und Thorium(Th) schwarz: stabile Isotope rot: β + -instabile Isotope blau: β - -instabile Isotope gelb: α-instabile Isotope grün: Spontanspalter

4 β-zerfall β + -Zerfall A Z Proton Neutron+Positron+Neutrino p n e + ν A Z-1 A Z A Z-1 β - -Zerfall Neutron Proton+Elektron+Anti-Neutrino n p e - ν A Z A Z+1 A Z+1 A Z

5 α-zerfall und Spaltung α-zerfall Emission eines α-teilchens AZ α-teilchen = 2p+2n AZ A-4Z-2 A-4Z-2 Spontanspaltung Kern zerfällt in zwei Bruchstücke AZ

6 Geschichte der Elementsynthese 1898 Polonium (Z=84) Radium (Z=88) 1899 Actinium (Z=89) Entdeckung der Radioaktivität durch A.H. Becquerel Mit Fermi s Methode und dem 60 -Zyklotron wurden 7 Transurane (Z=93-98) synthetisiert. Durch den Beschuss von Aktiniden mit leichten Ionen ließen sich in Berkeley und in Dubna (Rußland) auch die Elemente bis Z=106 erzeugen Enrico Fermi schlägt vor, Uran mit Neutronen zu beschießen, um noch schwerere Elemente zu erzeugen inch-Zyklotrongruppe: Cooksey, Corson, Ernest O. Lawrence Thornton, Backus, Salisbury, Luis Alvarez und Edwin McMillan Der Linearbeschleuniger UNILAC und das Geschwindigkeitsfilter SHIP der GSI machten die Synthese der Elemente Z= möglich 1938 Otto Hahn und Fritz Straßmann entdecken die neutroneninduzierte Kernspaltung Radon (Z=86) Protactinium (Z=91) Francium (Z=87) Radioaktivitätsperiode Plutonium (Z=94) 1944 Californium (Z=98) Astat (Z=85) 1949 Americium (Z=95) Neptunium (Z=93) Berkelium (Z=97) Curium (Z=96) Neutronenperiode Mendelevium (Z=101) Dubnium (Z=105) 1974 Nobelium (Z=102) Einsteinium (Z=99) 1969 Seaborgium (Z=106) Lawrencium (Z=103) Fermium (Z=100) Rutherfordium (Z=104) Elementsynthese durch Fusion schwerer Zielkerne mit leichten Projektilkernen Meitnerium (Z=109) Element Bohrium (Z=107) 1984 Hassium (Z=108) 1994 Element 110 Element 111 Synthese überschwerer Elemente durch sanfte Fusion (Pb und Bi als Target) (P. Armbruster, Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1996)

7 Kernphysik das Werkzeug zur (künstlichen) Elementsynthese II Stabilisierung durch Schaleneffekte Insel der Stabilität? Z = 100 Tröpfchenmodell

8 Theoretische Schalenkorrekturenergien - ein Maß für die Stabilität P. Möller et al.

9 Synthese and Identifikation von schweren Elementen am SHIP n 70 Zn 208 Pb cm VR MeV 280 µs 31 cm 12 m 269 Hs MeV 110 µ s 265 Sg 9.23 MeV 19.7 s bekannt 261 Rf 4.60 MeV (escape) 7.4 s kinematische Separation îm Fluge durch Vergleich der elektrischen und magnetischen Feldkraft Geschwindigkeitsfilter 253 Fm 257 No 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h 8.52 MeV 4.7 s Identifikation durch α-α Korrelationen zu bekannten Isotopen

10 Stop- und Rückwärts-Detektorarray Parameter: VR: Ort, Zeit und Energie -im Stopdetektor α s: Ort, Zeit und Energie -im Stopdetektor oder (im Falle eines escape - α) Ort, Zeit und Energie -im Stopdetektor und Ort, Zeit und Energie - im Rückwärtsarray

11 58 Fe+ 209 Bi 266 Mt + 1n - eine Beispielkette

12 Der 2-Stufenprozess Fusion - Abdampfung σ [mbarn] Ti Pb 258 Rf* (HIVAP Rechnungen) Fusion 1n Spaltung 5-7 Größenordnungen 2n 3n Verdampfungsrestkerne (VR) 1. Verbundkern (Fusion) Kernstruktur von Projektil- und Targetkern 2. Verdampfungsrestkern Überleben in Konkurrenz mit Spaltung E lab [MeV]

13 Bestätigung von Element Experiment 1996: 2. Exp. in May 2000: E * = 10 MeV 1 Ereignis CN MeV 280 µs mm E * = 10 MeV/12 MeV 1 Ereignis (bei 12 MeV) CN MeV 1406 µ s mm 269 Hs MeV 110 µ s mm 269 Hs MeV 310 µ s mm 265 Sg 9.23 MeV 19.7 s mm 265 Sg 9.18 MeV 22.0 s mm 261 Rf 4.60 MeV (escape) 7.4 s mm 261 Rf 0.2 MeV (escape) 18.8 s mm 253 Fm 257 No 8.34 MeV 15.0 s mm Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h 8.52 MeV 4.7 s mm 153 MeV 14.5 s mm Date: 05-May-2000 Time: 18:12 h E * bezeichnet die Anregungsenergie und ist ein Maß für die Temperatur des Verbundkerns Produktionsquerschnitte: σ(e * +0.9 =10 MeV) = 0.4 pb -0.3 σ(e * +1.1 =12 MeV) = pb

14 Bestätigung von Element 112 Nachweis und Chemie der Isotope 269,270 Hs bei GSI 26 Mg+ 248 Cm 274 Hs* 3 Ereignisse 2 Ereignisse 269 Hs 270 Hs 265 Sg 266 Sg 257 No 261 Rf 262 Rf 12./13. Mai 2001 Bern FLNR FZR GSI LBNL Mainz PSI

15 Der Produktionsquerschnitt σ - ein Maß für die Produktions- Wahrscheinlichkeit 1 Sekunde 1 Minute 1 Stunde 1 Tag 10 Tage Die Produktions- Wahrscheinlichkeit für superschwere Elemente nimmt mit der Ordnungszahl exponentiell ab. Das gegenwärtige Limit ist 1 pbarn ( 1barn ist eine Flächeneinheit und entspricht cm 2 ). Das entspricht einer Zahl von ca Versuchen oder einer erfolgreichen Synthese in ca. 10 Tagen

16 Der Wirkungsquerschnitt: Fusionsquerschnitt und Überlebenswahrscheinlichkeit Atomkern: 1 barn = cm 2 = m 2 Fusionsquerschnitt: < 1 barn 1:10 12 Erzeugungsquerschnitt : 1 pbarn = barn Erde: -Fläche 1.3x10 8 km 2 1.3x10 14 m 2 Wetzlar: Fläche km 2 1.3x10 7 m 2 /2 1:10 7 1:10 5 Charlotte Buff Haus: Fläche n x 130 m 2 1.3x10 2 m 2 1:10 12

17 Alle Ketten mit Z 110 GSI Dubna

18 E shell für verschiedene selbstkonsistente Rechnungen M. Bender, W. Nazarewicz und P.G. Reinhard, GSI-Preprint , Mai GSI Skyrme-Hartree-Fock (SHF) FLNR, Dubna { Relativistic Mean Field (RMF) E shell [MeV]