Eine Waage für einzelne Atome Jens Ketelaer, Johannes Gutenberg-Universität Mainz 07. März 2007 3,4 cm GSI Wissenschaft für alle
Inhalt des Vortrags Wie sind Atome aufgebaut? Warum interessiert man sich für die Massen superschwerer Atome? Wie hält man Atome im Raum fest? Wie misst man die Masse einzelner Atome? Ein Penningfallen-Massenspektrometer für einzelne Ionen
Die Elemente Element 26 Hs DsRg112
Wie sind Atome aufgebaut? 1 Ǻ = 10-10 m = + 1 fm = 10-15 m Das Atom besteht aus der Hülle und dem Kern. www.wikipedia.de
Die Eigenschaften von Kern und HülleH Der Kern besteht aus Z positiv geladenen Protonen und N Neutronen. Der Kern ist Z-fach positiv geladen. Die Zahl Z legt das Element fest. Die Atomhülle besteht aus Z negativ geladenen Elektronen. Sie legt die chemischen Eigenschaften des Atoms fest. Beispiel Eisen 56: Z=26, N=30 A=N+Z Z X N 56 26 30
Die Ordnung im Periodensystem Die Reihenfolge im Periodensystem wird durch die Zahl Z festgelegt. Die Anordnung in Zeilen gibt die Struktur der Atomhülle wieder. Kann man neben Z auch die Neutronenanzahl N variieren? Hs DsRg112
Isotope und Nuklidkarte Das Periodensystem listet die Elemente entsprechend der Ordnungszahl Z auf. Zu jedem Element gibt es mehrere Isotope, die durch die Neutronenanzahl N bestimmt sind. Protonenzahl Z 50 48 47 46 51 50 49 48 47 52 51 50 49 48 53 52 51 50 49 54 53 52 51 50 55 54 53 52 51 56 55 54 53 52 57 56 55 54 53 V V V V V V V 50 V51 52V 53 V54 55 V 56 57 V 58 V59 60V 61 V 58 57 56 55 54 59 58 57 56 55 Neutronenzahl N 60 59 58 57 56 Mehr als 3000 bekannte Nuklide! 48 47 46 50 49 48 47 51 50 49 48 52 51 50 49 53 52 51 50 54 53 52 51 55 54 53 52 61 60 59 58 57 56 55 54 53 57 56 55 54 62 61 60 59 58 58 57 56 55 63 62 61 60 59 59 58 57 56 60 59 58 57 64 63 62 61 60 62 61 60 59 58 63 62 61 60 59 V V V V V V V V V V V V V V V 64 63 62 61 60
Bindungsenergien - oder 1 und 1 ist nicht 2! Beim Atomkern ist das nicht so! Beim Kuchenbacken ergeben 200g Mehl + 50g Butter + 50g Eier = 300g Teig. Die Kernmasse ist immer kleiner als die Summe der Massen seiner Bausteine, denn + = + www.wikipedia.de
Bindungsenergien bei verschiedenen Massenzahlen Bindungsenergie 8,7 MeV/Nukleon Bindungsenergien bestimmt man durch Massenmessungen. 56 Massenzahl A
Kernfusion und Bindungsenergien Bei Eisen (Massenzahl 56) hat die Bindungsenergie ein Maximum, d.h. durch die Fusion leichterer Kerne wird Energie frei. 3 H 4 He 2 H n + Schwerere Elemente können nicht durch Kernfusion entstehen, da bei ihrer Bildung keine Energie mehr frei würde. Wie entstehen schwerere Elemente?
Neutroneneinfangprozesse A A+1 ZXN ZXN+1 + n = A+1 ZXN+1 = A+1 Z+1Y N + e- + ν 50 48 47 46 51 50 49 48 47 52 51 50 49 48 53 52 51 50 49 54 53 52 51 50 55 54 53 52 51 56 55 54 53 52 57 56 55 54 53 58 57 56 55 54 59 58 57 56 55 60 59 58 57 56 61 60 59 58 57 62 61 60 59 58 s-prozess V V V V V V V V V V V V V V V 63 62 61 60 59 64 63 62 61 60 K. Blaum und H. Schatz, Physik Journal 5 (2006) Nr. 2
Elementhäufigkeiten und Massen Letztendlich führt all dies zu einer Erklärung der Häufigkeitsverteilung der Elemente über deren Entstehung. Vorhersagen basieren auf den Bindungsenergien und damit den Massen. K. Blaum und H. Schatz, Physik Journal 5 (2006) Nr. 2
Erzeugung schwerer Elemente im Labor Schwere Elemente werden z.b. bei SHIP an der GSI erzeugt. Einige davon jedoch nur mit sehr geringen Raten. 1 pro Minute Das heute etablierte Messverfahren mit gespeicherten Ionen benötigt jedoch einige hundert Teilchen für eine einzige Massenmessung. Dies würde zu einer Messzeit von mehreren Tagen führen!
Wie misst man die Masse einzelner Atome? Man ionisiert Sie einfach, d.h. man nimmt ihnen ein Elektron aus der Atomhülle weg. positiv geladene Teilchen (Ionen) Dann muss das Ion im Raum festgehalten werden. Penningfalle Hans G. Dehmelt, Wolfgang Paul nobelprize.org Frans Michel Penning
Wie bewegt sich das Ion in der Penningfalle? Die Bewegung setzt sich aus drei unabhängigen Bewegungen zusammen.
Frequenzmessungen Frequenzen lassen sich sehr viel genauer als andere Größen messen. Deswegen sind Zeit und Länge auch (indirekt) über Frequenzen definiert. Die Masse wird auch über die Frequenzen des Ions in der Falle bestimmt! ν C 1 q = B = ν + + ν 2π m nobelprize.org Theodor W. Hänsch
Wie bestimmt man die Frequenzen eines Ions in der Penningfalle? Bewegt sich ein geladenes Teilchen zwischen zwei Platten, so beeinflusst es die Ladungen darauf. Schließt man beide Platten über einen Widerstand kurz, so kann ein Strom fließen. U T 1 = ν Die Periodendauer T ist das Inverse der Frequenz ν. U t ν
Wie groß ist die Spannung durch ein einzelnes Ion? Im Hausnetz beträgt die Spannung 230 V. Bei einem einfach geladenen Ion und einem Widerstand von 1 MΩ beträgt sie 0,1μV = 0,0000001V. Wie misst man eine solch kleine Spannung?
Problem: Rauschen Jeder elektronische Schaltkreis rauscht. Beispiel: HiFi-Anlage sobald keine Musik abgespielt wird, hört man ein (leises) Rauschen. Es gibt verschiedene Arten von Rauschen. Für uns ist das thermische Rauschen von Bedeutung. Signal Rauschen Q Δν T
Wie reduziert man das Rauschen? 1. Ansatz: Reduzierung der Temperatur. Der Effektivwert des thermischen Rauschens ist proportional zur Wurzel der Temperatur! Die Penningfalle befindet sich in einer 77 K-Umgebung (-196 C), ein Teil der Elektronik arbeitet bei 4 K (-269 C). 2. Ansatz: Reduzierung der Bandbreite. U Das thermische Rauschen ist über alle Frequenzen gleich verteilt (weißes Rauschen). Man unterdrückt alle Frequenzen, bis auf einen schmalen Bereich um die gesuchte Frequenz ν des Ions. ω ν
Wie reduziert man die Bandbreite? Man benötigt einen Schaltkreis, der als Filter arbeitet Schwingkreis! R LC Eingangssignal Ausgangssignal Impedanz Z(ν) ν LC Frequenz ν
Wie schmal muss das Filter sein? R LC Impedanz Z(ν) Δν LC ν LC Frequenz ν Die Güte Q ist ein Maß für die Breite des Filters. Q = ν LC Δν LC
Alles zusammengesetzt ν 77 K 4 K Eine Apparatur zur Massenbestimmung ist prinzipiell wie oben gezeigt aufgebaut.
Der experimentelle Aufbau Supraleitender Magnet mit 7 T ldstärke 8 cm Hyperbolische Penningfalle zur Frequenzmessung Supraleitender Nachweis- Schwingkreis als Filter mit Verstärker ν
Der Resonator als Filter Supraleitender Draht, der bei 4 K im Prinzip seinen elektrischen Widerstand verliert, in zwei Wicklungen Supraleitendes Gehäuse Q =15000
Beispiel : Noch ein Wort zur Genauigkeit Δm 1 g m = 100 T = 100 000 000 g = 10 8 g Δm m 1 10-8 Jedoch: Genauigkeit auf atomarer Skala erforderlich!
Bisherige Massenmessungen in Penningfallen 100 80 stable indirect GANIL SPEG CSS2 GSI ESR-SMS ESR-IMS SHIPTRAP proton dripline (FRDM95) Z 60 40 20 0 ISOLDE MISTRAL ISOLTRAP neutron dripline (FRDM95) Other Penning traps CPT (ANL) LEBIT (MSU) JYFLTRAP weder aktuell noch vollständig 0 50 100 150 N Original: Lunney, Pearson & Thibault, Reviews of Modern Physics 75 (2003) 1021
Das schwerste bisher gemessene Nuklid Das schwerste Nuklid, dessen Masse bisher direkt in einer Penningfalle bestimmt wurde, ist 232 Fr 87 145 Wir möchten Massen im Bereich von A=250 bestimmen, wozu die hier vorgestellte Methode bestens geeignet ist.
Status und Ausblick Gesamte Apparatur in einem Testmagneten eingebaut Nachweiselektronik getestet Momentan: Optimierung des Elektrodensystems zum Transfer der Ionen von einer Quelle zu den Fallen Erstes Ionensignal mit der neuen Elektronik mittels Rubidium-Ionen In naher Zukunft: Einsatz dieses Systems bei SHIPTRAP an der GSI.
Zusammenfassung Elemente schwerer als Eisen hauptsächlich durch Neutroneneinfangsprozesse erzeugt. Masse für Vorhersage der Elementhäufigkeit wichtig Schwere Elemente im Labor mit sehr geringen Raten produziert, Waage für einzelne Atome notwendig Massen am genauesten über Frequenz bestimmbar, Spiegelstromanalyse liefert die Frequenz ν Experimenteller Aufbau in der Erprobungsphase, Einsatz an SHIPTRAP geplant
Die Arbeitsgruppe MATS Arbeitsgruppe an der Klaus Blaum, Joseba Alonso, Michael Dworschak, Georg Eitel, Sebastian George, Rafael rrer, Jens Ketelaer, Susanne Kreim, Szilard Nagy, Dennis Neidherr, Birgit Schabinger, Christian Smorra Kollaborateure: Holger Kracke, Stefan Stahl, Stefan Ulmer Finanzierung: VH-NG-037
Der Schluss