Die Entstehung der Elemente

Transkript

1 Die Entstehung der Elemente Jörn Bleck-Neuhaus Okt

2 Die Entstehung der Elemente 1. das Produkt: die chemischen Elemente H C He Fe U Pu (Wikipedia) 2

3 Die Entstehungder Elemente 2. das Material: die fundamentalen Teilchen up-quark down-quark Elektron 3

4 Die Entstehungder Elemente 3. der Prozess (von hinten aufgerollt) = Die Entstehung der Atome Stabile Atome aus Kern und Elektronen-Hülle: ab Jahre nach dem Urknall (n.d.u.) davor: Die Entstehung der Atomkerne = Nukleosynthese aus Protonen und Neutronen: ab 10 sec n.d.u.: leichte Kerne (He, Li, Be, B) ab ca100 MioJahre n.d.u.: schwerere Kerne davor: Entstehung von Proton und Neutron Baryogeneseaus u-und d-quarks, ab 10-4 sec n.d.u. 4

5 Der Prozess im Überblick: von den Elementarteilchen zu den schwersten Atomen 1000 Mioa 100 Mioa a "pure Theorie" 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: p = 8 : 100 p + n d,?α, (?) n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks, Leptonen + Antit. 5

6 Beobachtungen von den Elementarteilchen zu den schwersten Atomen Der Prozess im Überblick: Urknall 1000 Mioa 100 Mioa a "pure Theorie" 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: α: p = 8 : p + n d,?α, (?) n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks, Leptonen + Antit. 6

7 Die Entstehung der Elemente Gliederung 1. Überblick 2. Exkurs: Der Begriff Element 3. Isotope und deren Häufigkeit 4. Baryogenese: p, n 5. Primordiale Nukleosynthese: H, He 6. Stellare Nukleosynthese: C,.. Fe,.. U,.. 7. Transurane: Pu,?Uuo 8. Die leichten Elemente Li, Be, B 7

8 Exkurs: Der Begriff "Element" ein historisches Missverständnis? 8

9 Exkurs: Der Begriff "Element" Können denn ein historisches Missverständnis Elemente? entstehen? 9

10 Exkurs: Der Begriff "Element" ist seit dem Altertum in Gebrauch, ein historisches Missverständnis um in einer unüberschaubaren Vielfalt von Phänomenen nach Strukturen zu suchen, hier konkret: Suche nach Strukturen in der Vielfalt der uns umgebenden Stoffe und? ihrer Arten von Umwandlungen und Reaktionen 10

11 Robert Boyle ( ) (The Sceptical Chymist, 1661, frei übersetzt) "Unter Elementen verstehen wir vollkommen ungemischte Stoffe, die nicht aus anderen Stoffen bestehen, die die Zutaten bilden, aus denen alle realen, gemischten Stoffe zusammengesetzt sind, und zu denen diese letztlich wieder aufgelöst werden können." klingt modern, aber: gemeint ist hier der Elementbegriff der Alchemie: Hitze, Wässerigkeit, Luftigkeit, Festigkeit, (?) (weiter Boyle:)"Ob es diese Elemente aber als Stoffe gibt, die zuverlässig in allen wirklichen Stoffen vorkommen, das möchte ich bezweifeln." 11

12 Robert Boyle ( ) (The Sceptical Chymist, 1661, frei übersetzt) Alternative Idee: Materie besteht aus gleichen Teilchen Zitat:"Die Verschiedenheit der Stoffe kann von der bloßen Verschiedenheit der Struktur herrühren, wie die kleinen Teilchen sich voneinander lösen oder aufeinander wirken oder nach dieser oder jener Art miteinander verbunden werden." Klingt (und ist) modern! Die Zeitgenossen: "Spekulation!" "Metaphysik!" 12

13 Antoine de Lavoisier ( ) "Traité élémentaire de chimie" (1789, frei übersetzt) Marie- Anne Grundsatz: "Keine Metaphysik! Nur die Beobachtungen zählen!" "Als Elemente sollen wir die letzten Bestandteile bezeichnen, zu denen unsere Analyse hinführt." "d.h. Elemente sind die einfachsten Substanzen, in die wir einen Stoff zerlegen können -unter Einsatz aller (z.zt!) bekannten Mittel." Eine strikt operationelle Definition und noch schärfer:"diese Substanzen könnten selbst noch zusammengesetzt sein. Aber solange wir nicht die Mittel entdeckt haben, sie weiter zu zerlegen, treten sie als Elemente auf." 13

14 John Dalton ( ) "New System of Chemical Philosophy" 1803/08 begründet die heutigen und wohl bleibenden Definitionen von "Atom" und (chem.) "Element" 1) "Alle Änderungen der Stoffe bestehen in der Trennung von Atomen, die vorher verbunden, und in der Vereinigung solcher, die vorher getrennt waren" 1) sofern herbeigeführt im Rahmen der damaligen Möglichkeiten "Die Atome eines Elements: unveränderlich, völlig gleich in Gewicht, Gestalt..." (frei übersetzt) 14

15 John Dalton ( ) "New System of Chemical Philosophy" 1803/08 begründet die heutigen und wohl bleibenden Definitionen von "Atom" und (chem.) "Element" "Alle Änderungen der Stoffe bestehen in der auch nicht Trennung von Atomen, die vorher verbunden, und in der Vereinigung entstehen solcher, die vorher getrennt waren" 1) sofern herbeigeführt im Rahmen der damaligen Möglichkeiten 1) können also "Die Atome eines Elements: unveränderlich, völlig gleich in Gewicht, Gestalt..." (frei übersetzt) 15

16 John Dalton ( ) "New System of Chemical Philosophy" 1803/08 begründet die heutigen und wohl bleibenden Definitionen von "Atom" und (chem.) "Element" 1) "Alle Änderungen der Stoffe bestehen in der Trennung von Atomen, fruchtbarer die vorher verbunden, und in der Vereinigung neuer solcher, Begriff: die vorher getrennt waren" 1) sofern herbeigeführt im Rahmen der damaligen Möglichkeiten Atomgewicht "Die Atome eines Elements: unveränderlich, völlig gleich in Gewicht, Gestalt..." (frei übersetzt) 16

17 William Prout ( ) "On the Relation between the Specific Gravities of Bodiesin theirgaseousstate and the Weights of their Atoms." (1815) Hypothese: Alle Atome bestehen aus Wasserstoffatomen Begründung: Alle Atomgewichte sind ganze Zahlen erste Idee zur Entstehung der Elemente 17

18 William Prout ( ) "On the Relation between the Specific Gravities of Bodiesin theirgaseousstate and the Weights of their Atoms." (1815) Hypothese: Alle Atome bestehen aus Wasserstoffatomen Begründung: Alle Atomgewichte sind ganze Zahlen erste Idee zur Entstehung der Elemente Falsch. Doch gab es jahrzehntelange Bemühungen, die (ungenauen) Messergebnisse so zu deuten. 18

19 Erfolg: Die Chemischen Elemente Das Periodensystem heute: (Wikipedia) 19

20 Das erfolgreiche "Standardmodell" der Chemie (~1900) Unzählig viele Stoffe und Vorgänge erklärt durch 92 elementare Arten von Materie soll heißen: 92 grundlegend verschiedenematerietypen (auf keine Weise ineinander umzuwandeln) Schönheitsfehler aus der Sicht von Physik und Philosophie (seit altersher): Der letzte Grundstoff aller Materie sollte von einheitlicher Art sein 20

21 Konkrete Komplikationen (aus der Physik, 100 Jahre nach Dalton) Elemente wandeln sich ineinander um Radioaktivität (1896, 1902) Atome sind NICHT unteilbar Elektronen (1897) Atomkern (1911) Atome eines Elements sind NICHT alle gleich Isotope (1912) (mit stets ganzzahligen Atomgewichten 1920) Atom besteht aus Kern und Hülle (genauer 1933): aus Protonen, Neutronen, Elektronen 21

22 Konkrete Komplikationen (aus der Physik, 100 Jahre nach Dalton) Elemente wandeln sich ineinander um Radioaktivität (1896, 1902) Atome sind NICHT unteilbar Wenn überhaupt, dann sind dies die von Boyle definierten, aber bezweifelten (1897) "Elemente" Elektronen Atomkern (1911) Atome eines Elements sind NICHT alle gleich Isotope (1912) (mit stets ganzzahligen Atomgewichten 1920) Atom besteht aus Kern und Hülle (genauer 1933): aus Protonen, Neutronen, Elektronen 22

23 Konkrete Komplikationen (aus der Physik, 100 Jahre nach Dalton) Elemente wandeln sich ineinander um Radioaktivität (1896, 1902) Atome sind NICHT unteilbar Wenn überhaupt, dann sind dies die von Boyle definierten, aber bezweifelten (1897) "Elemente" Elektronen Atomkern (1911) Atome eines Elements sind NICHT alle gleich Isotope (1912) (mit stets ganzzahligen Atomgewichten 1920) Atom besteht aus Kern und Hülle (genauer 1933): aus Protonen, Neutronen, Elektronen 23

24 Die ca. 250 natürlichen Isotope Uran 238 U "Tal der Stabilen Isotope" Wasserstoff 1 H 24

25 Die ca bekannten Isotope Uran 238U n e t " n e n p toa k o e Ibs 0 n i8le0 e" 2 b a. op t a S c ot r e Is d l "Ta Wasserstoff 1H 25

26 Schlüssel zum Entstehungsprozess: Element-und Isobarenhäufigkeiten Elementhäufigkeit Z=26 (Fe) A=56 Isobarenhäufigkeit "Tal der Stabilen Isotope" rel. Atomhäufigkeiten Z=1 (p, H) Z=2 (α, He) rel. Atomhäufigkeiten Z=6 (C) 26

27 Genaueste Aufstellung: Die Häufigkeiten der ca. 250 relative Häufigkeit H He 12 6C natürlichen Isotope 56 26Fe Jeder Farbcode: ein eigener Entstehungsprozess U Massenzahl A (= Atomgewicht, gerundet) 27

28 4. Entstehung beginnt mit der Baryogenese(kurz) Quark-Gluon-Plasma: Quarks u, d, s, c, b, t (up, down, 9) Gluonen g Starke Wechselwirkung Proton p : 2 u + 1 d p Neutron n : 1 u + 2 d n 28

29 Stellare Nukleogenese Primordiale Nukleogenese Baryogenese 1000 Mioa 100 Mioa a 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: p = 8 : 100 p + n d,?α,? 7 Li n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks + Antiquarks 29

30 Ende der Baryogenese3 sec n.d.u.: Protonen und Neutronen im thermodynamischengleichgewicht Reaktionen: p Voraussetzung: T Konzentrationsverhältnis = Boltzmannfaktor: E n: p = exp( ), E= kt Gleichgewicht friert ein mit dem Wert bei T + e 7,5 10 n+ ν, n+ e p+ 9 K e + > K ( kt > 1MeV, γ e + + e ) n ν e n 1,29MeV : p=14:100 p 30

31 Stellare Nukleogenese Primordiale Nukleogenese Baryogenese 1000 Mioa 100 Mioa a Ende der Vorherrschaft der Starken Wechselwirkung 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: p = 8 : 100 p + n d,?α,? 7 Li n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks + Antiquarks 31

32 32 Li n Li Be He He Li H He He p d H n d PrimordialeNukleogenese Ausgangspunkt: Reaktionen: (Auswahl) ferner: (Auswahl) : =14:86 p d α +d d 100 8: 7:86 : = p= α d n p + : =14:100 p n

33 Abbruch der primordialen Nukleosynthese durch Abspaltung von α-teilchen nochmal: die Isotopenkarte A=const 33

34 für Details: Zeitverlauf der primordialennuklearsynthese Temp: K 10 9 K K 10 8 K (E therm : 300 kev 100 kev 30 kev 10 kev) (Dichte: 5 kg/ml 5 g/ml 5 mg/ml ) 34

35 5a. Bildung von Atomen Rekombination : Dauerhafter Einfang von Elektronen nach Abfall der Temperatur auf ca. 3000K (Dichte ca g/ml) 35

36 Stellare Nukleogenese "Rekombinationsepoche" Primordiale Nukleogenese Baryogenese 1000 Mioa Ende der Vorherrschaft der 100 Mioa a Starken Wechselwirkung 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne Ende der Vorherrschaft der elektromagnetischen Wechselwirkung: Das Universum wird durchsichtig Gravitation kommt zum Tragen 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: p = 8 : 100 p + n d,?α, (?) n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks + Antiquarks 36

37 6. Stellare Nukleosynthese Gravitation bewirkt Zusammenballung von Atomen Hohe Dichte im Zentrum AdiabatischeErhitzung Hohe thermische Energie Re-Ionisation, Plasma, Kernfusion 37

38 Stellare Nukleogenese ab 1000 Mioa Primordiale Nukleogenese Baryogenese ab 100 Mioa a 3 min 10 s 1 s 10-4 s 10-6 s s.. 56 Fe..+ n's schwere Kerne 3α 12 C, ( 16 O,?, 56 Fe) p + e H, α+ 2 e He α: p = 8 : 100 p + n d,?α, (?) n : p = 14 : 100 Protonen (p), Neutronen (n) Baryonen + Antibaryonen Quarks + Antiquarks 38

39 α+ α+ α= 12 C bei 90 kev: Resonanz E 6 ev Güte 10 5 Lebensdauer: s Heliumbrennen (prominent ab T K ρ 10 2 g/ml) bei 288 kev: Resonanz Kernzustand * 12 C* E 8 ev Güte 10 5 Lebensdauer: s E γ1 +E γ2 = 7,654 MeV stabiler Kern 39

40 Vom Kohlenstoff aufwärts: Wasserstoffbrennen 12 C + p 13 N* 13 N 13 C 13 C + p 14 N* ß + ß + 14 N + p 15 O* 15 N CNO-Zyklus (prominent ab T K) 15 N + p 16 O* 12 C + α 16 O + γ 40

41 Vom Kohlenstoff aufwärts: Kohlenstoffbrennen 12 C + 12 C 20 Ne + α 12 C + 12 C 23 Na + p 12 C + 12 C 23 Mg + n Kohlenstoffbrennen explosiv ab T K ρ 10 6 g/ml Dauer 500 Jahre Freie Neutronen weitere Neutronen aus 13 C + α 16 O + n, u.a. 41

42 Vom Kohlenstoff zum Eisenpeak: "Nuklearer Eintopf" 20 Ne + α 24 Mg + γ 20 Ne + γ 16 O + α 16 O + 16 O 28 Si + α 28 Si + α+ α? 32 P, 36 Ar,? 56 Ni? 28 Si + γ 24 Mg + α Neonbrennen explosiv ab T 10 9 K ρ 10 6 g/ml Dauer 1 Jahr Sauerstoffbrennen explosiv ab T > K ρ 10 7 g/ml Dauer Monate Siliziumbrennen explosiv ab T > K ρ 10 9 g/ml Dauer Tag 42

43 Nebenreaktionen (Beispiel) 43

44 Die Entstehung der Elemente -Zwischenbilanz- H He C O Ne Mg Si S Ar Ca Ti Cr Fe Ni Zn????? Eisenpeak warum? (Wikipedia) 44

45 Bindungsenergie pro Nukleon längs der "Talsohle der stabilen Isotope" E B / A [MeV] 56 Massenzahl A 45

46 Bindungsenergie E pro Nukleon längs der "Talsohle der stabilen Isotope" 0 56 Massenzahl A E / A [MeV] B Angeregte Zustände Grundzustand 46

47 Eisenpeak: Boltzmann-Verteilung A=56 ß-Zerfälle Z=26 (Fe) Neutronenanlagerung rel. Atomhäufigkeiten rel. Atomhäufigkeiten Grundzustand+ E Therm ( K) 47

48 A Z weiter bis zum Uran: X + n A + 1 X Z +γ Wirkungsquerschnitt σ für Neutroneneinfang Querschnittsfläche des Kerns Fe Minima bei bestimmten Zahlen für Neutronen oder Protonen ( Magische Zahlen der Kernphysik: abgeschlossene Massenzahl Schalen) A Pb 48

49 Der s-prozess entlang der Talsohle +n +n +n 49 n p n p +n n p +n +n +n +n +n n p n p +n +n +n +n +n Talsohle der stabilen Isotope +n n p +n +n n p n p n p N=48 N=50 Z=40 Z=43

50 Der s-prozess entlang der Talsohle n p n p Z=40 Z=43 n p +n n p n p +n +n n p n p +n +n +n +n +n +n n p +n +n +n +n +n n p +n +n +n N=48 N=50 50

51 Der s-prozess entlang der Talsohle +n +n +n +n 51 n p n p +n +n +n +n +n +n +n +n +n +n n p n p n p n p n p n p s-prozess Talsohle ( slow ) der stabilen in der Isotope Talsohle p-prozess ( proton ) +n +n +n n p r-prozess ( rapid ) N=48 N=50 Z=40 Z=43

52 s-prozessund r-prozess (u.s.w) Eisenpeak Massenzahl A s-prozess ß-Zerfälle Neutronenanlagerung Abgeschlossene Neutronenschalen N=50 N=82 N=126 52

53 s-prozessund r-prozess (u.s.w) Eisenpeak Spontane Spaltung Massenzahl A Nach plötzlichem Abbruch des Neutronenflusses s-prozess r-prozess ß-Zerfälle Neutronenanlagerung Abgeschlossene Neutronenschalen N=50 N=82 N=126 53

54 Wo findens-undr-prozessstatt? Wo finden s-und r-prozess statt? s-prozess: Pulsierende Sterne Konvektion zwischen Schichten verschiedener Tiefe (~ Jahre) r-prozess: Supernova-Explosion Ende des Si-Brennen (~1 Std.) Sternkollaps (~1 Sek., bis zur Dichte der Kernmaterie) Schockwelle nach außen Erhitzung auf K Neutronenfreisetzung (durch γ-strahlung) Neutroneneinfang Abstoßung der äußeren Hülle 54

55 Die Häufigkeiten der ca. 250 natürlichen Isotope 1 1H 4 2He relative Häufigkeit C 56 26Fe U Massenzahl A (= Atomgewicht, gerundet) 55

56 Die Häufigkeiten der Isotope: Der Schlüssel zu den einzelnen H 1 1 Entstehungsprozessen relative Häufigkeit Massenzahl A (= Atomgewicht, gerundet) 56

57 Literatur und Quellen [1] Kerne und Sterne, von Heinz Oberhummer (Joh. Amb. Barth, Leipzig, 1993) [2] Stellar Evolution and Nucleosynthesis von Sean Ryan, Andrew Norton (Cambridge Univ. Press, 2010) [3] Nucleosynthesisand Chemical Evolution of Galaxies, von Bernard Pagel(Cambridge Univ. Press, 2009) [4] Elementare Teilchen, von Jörn Bleck-Neuhaus (Springer-Verlag, Heidelberg, 2010) [5] Wikipedia 57