Moderne Experimente der Kernphysik

Moderne Experimente der Kernphysik Wintersemester 2011/12 Vorlesung 21 06.02.2012 Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 1

Superschwere Elemente (SHE) Strutinsky- Methode zur Schalenkorrektur Definition: Was sind superschwere Elemente? Produktion und Nachweis superschwerer Elemente Spektroskopie (fast) superschwerer Kerne Massen superschwerer Kerne Chemie (und Atomphysik) superschwerer Elemente (kurz) Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 2

Flüssigkeitstropfenmodell (LDM) R b a ε = 1 b2 a 2 Coulombabstossung bevorzugt Deformation Oberflächenenergie bevorzugt sphärische Form BE( ε) > BE( ε = dann Spaltung Spaltbarriere muß überwunden werden für Z<104 0) Liquid drop energy (MeV/A) Deformation β Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 3

Stabilisierung von SHE durch Schaleneffekte LDM 152 LDM LDM 162 LDM LDM 184 LDM Schaleneffekte erlauben Existenz von Kernen mit Z>104 Deformierte (Unter)schalenabschlüsse Sphärischen Schalenabschlüsse Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 4

Fusion Spaltung oder Neutronenemission Sehr schematisch!!! Kein Compoundkern gebildet Compoundkern spaltet sofort Kein Compoundkern gebildet Energie Emission von Neutron(en) Spaltbarriere höher, Compoundkern überlebt Abstand zwischen den Protokernen Fusionskerne überleben nur in einem engen Energiefenster Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 5

Produktion / Identifikation von SHE n 70 Zn 208 Pb 277 112 277 112 CN 273 110 11.45 MeV 280 μs 269 Hs 11.08 MeV 110 μ s 265 Sg 9.23 MeV 19.7 s bekannt 261 Rf 4.60 MeV (escape) 7.4 s Kinematische Separation in flight 253 Fm Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 6 257 No 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h 8.52 MeV 4.7 s Identifizierung durch α-α Korrelationen hinunter zu bekannten Isotopen

Massenmessungen von SHE Zur Erinnerung: M M ΔM 1 12 Kern Atom M ( Z, A) ( Z, A) = Atom Atom ( 12 2 = Z mp + N mn BN ( Z, A) / c Kernmasse M ( Z, A) Kern M ( Z, A) + Z Atom ( Z, A) m 1 A M 12 C) 1u = 931.5MeV / c e B 2 e ( Z) / c Atom ( 12 2 C) Atomare Masse Massendefekt Atomare Masseneinheit Massenmessungen werden häufig relativ zu einer wohlbekannten Referenzmasse durchgeführt. Gewählt wurde als Standard das neutrale 12 C-Atom, da sich daraus leicht schwere Referenzmassen bilden lassen: Kohlenwasserstoffe (C n -H m ) Fullerene (C n ) Die chem. Bindungsenergien sind dabei wesentlich besser bekannt als die Fehler der Massenmessungen. Sie tragen also nicht zum Fehler der Masse bei. Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 7

Massenmessungen von SHE Z=106, N=154 Z=108, N=156 Z=104, N=152 Z=102, N=150 Emission von α-teilchen Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 8

Massenmessungen von SHE Wie mißt man die Masse von superschweren Kernen? Indirekte Methode über Energie des α-teilchens M ( Z, A) = M ( Z 2, A 4) + M ( 4 He) + E α ( Z, A) / c 2 = M ( Z 4, A 8) + 2 M ( 4 He) + E α ( Z, A) / c 2 + E α ( Z 2, A 4) / c 2 usw. bis Zerfallsprodukt mit bekannter Masse erreicht ist. Probleme: - Meßgenauigkeit limitiert durch α-energie, Fehler summieren sich auf! - α-zerfall bevölkert nicht notwendigerweise den Grundzustand des Tochterkerns Direkte Massenmessung z.b. in einer Penningfalle Meßprinzip: Massenmessung auf eine Frequenzmessung zurückführen Frequenzen kann man sehr genau messen Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 9

Gasstopper und Buncher Kerne von SHE werden nicht implantiert, sondern in einem Gasvolumen abgestoppt, extrahiert und zur Falle transportiert. Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 10

Experimente Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 11

Das Gesamtkonzept für f r SHIPTRAP Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 12

Massenmessungen in Penning-Falle Meßprinzip: Massenmessung auf eine Frequenzmessung zurückführen Umlauffrequenz einer Ladung in einem homogenen Magnetfeld (Zyklotronfrequenz): ω Zyklotron = q m B Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 13

Massenmessung von No in SHIPTRAP Zyklotronbewegung wird in lineare Bewegung umgewandelt : Observable ist dann Flugzeit Messung relativ zu 133 Cs 1+ (Cs-Strahl läßt sich leicht mit Ofen erzeugen) ω ω ( 133 Zyklotron 252-254 Zyklotron( Cs 1+ No ) 2+ ) = 0.948 0.956 M. Block et al., Nature 463, 785 (2010) Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 14

Massenmessung von No in SHIPTRAP Massendefekt ( mass excess ): ΔM ( ΔM ( ΔM ( 252 253 254 1 = 2 = 565(21) kev No) = 82.850(31) MeV / c No) = 84.356(13) MeV / c No) = 84.733(14) MeV / c Neutronenpaarungsenergie aus drei benachbarten Massen: Δ n ( Z = 102, N = 151) 2 2 2 [ ]c 2 [kev] [ ( No) ( No) 2 ( No) ] 252 254 253 M + M M T 1 = 1.62 min / 2 (253 No) T 2. 44 s 1 / 2 (252 No) = Massenevalutation α-zerfallsspektrum kompliziert T 2( 254 1 / No) = 51s Leichtere No-Isotope zu kurzlebig für diese Methode (derzeit) Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 15

Nilsson-Schema der Einteilchenorbitale Z=106 oder 108 abgeschlossene Schale??? Oblate Prolate Deformation β=0.25 Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 16

Nilsson-Schema der Einteilchenorbitale Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 17

Systematik der Lebensdauern (gg-kerne) 254 No (Z=102) und 252 Fm (Z=100) mit N=152 scheinen stabiler zu sein als ihre Nachbarn Trend setzt sich nicht fort für schwerere Elemente Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 18

Schalenstruktur superschwerer Kerne Sphärischer Schalenabschluß bei N=184 und Z=114??? Deformierter (Unter)schalenabschluß bei Z=108???? Deformierter (Unter)schalenabschluß bei N=162? Deformierter (Unter)schalenabschluß bei N=152 Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 19

Nuklidkarte Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 20

cold Zusammenfassung: Wirkungsquerschnitte Die theoretische Vorhersage von Wirkungsquerschnitten in der Größe von pb (entspricht im Exp. 1 Kern / pro Woche bis Monat) ist sehr schwierig! Spaltung mehrere Größenordnungen stärker! Sehr genaues Verständnis des Fusionsprozessen notwendig! Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 21

Wirkungsquerschnitt - Zählrate 1 second 1 minute 1 hour 1 day 10 days Mittlere Meßzeit um 1 Event zu beobachten derzeitige Empfindlichkeit: Grenze 1 pbarn integrierte Strahldosis: 1.5 x 10 18 Projektile Bedeutet bei 10 12 / s Strahlintensität etwa 17 Tage Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 22

... durchaus fragwürdige rdige Vorhersagen R. Smolanczuk Schön, wenn es wahr wäre!!! ABER: Modell ist sehr vereinfachend!!! Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 23

Das Berkeley Experiment zu Z=118 Berkeley Gasfilled Separator Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 24

Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 25

Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 26

EPJ A 14, 147 (2002) Ergo: Fälschungen werden im Allgemeinen gefunden und lohnen daher nicht!!!! Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 27

Einordnung ins Periodensystem Chemie der SHE - Situation vor hundert Jahren Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 28

Chemie mit einzelnen Atomen Reaktionen zielen auf die Einstellung von chemischen Gleichgewichten hin Man kann bei so wenigen Atomen nicht mehr von chemischen Gleichgewichten sprechen Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 29

Gaschromatographie Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 30

Prinzip des Experimentes Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 31

Chemie am Element Z=108 Hs bildet Tetraoxid und verhält sich wie sein Homolog Os, gehört also zur 8. Gruppe Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 32

Detektorsystem von PIN Dioden Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 33

Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 34

Chemie von Copernicium (Z=112) Man würde erwarten, dass sich Cn wie Hg verhält Hg lagert sich gerne auf Au-Oberflächen ab, daher wurde der Experimentaufbau modifiziert, indem die Oberflächen der Si-Dioden mit Au beschichtet wurden: Ergebnis: KEIN Ereignis (Z=112-Zerfall) wurde gemessen!?! Nun wurde zusätzlich am Ende der Röhre eine Ionisationskammer angeflanscht Ergebnis: mehrere Ereignisse von Z=112-Kernen!!! Folgerung: Z=112 wird produziert, lagert sich aber nirgends an, verhält sich also eher wie ein Edelgas!!!! Modifikationen der Elektronenhülle (und damit der Chemie) durch die hohe Kernladungszahl Bereits für die Chemie schwerer Elemente sind relativistische Effekte von Bedeutung. Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 35

Extreme Atomphysik in superschweren Atomen In Atomen von Elementen Z > 173 würde die Bindungsenergie der am tiefsten gebundenen 1s 1/2 -Elektronen einen Wert von -2x511 kev erreichen Atom kann Positronen emittieren 1 Das nicht-relativistische α Bohr-Modell hat offenbar 137 v Bohr = Zαc spätestens für Z>137 ein Problem! Die Lösungen der Dirac-Gleichung genauso! E Dirac = m c Z 2 2 2 0 1 α... höhere Z s möglich für realistischere ausgedehnte Kerne W. Pieper, W. Greiner Z. Phys. A 218 (1969) 327 J. Reinhardt et al, Z. Phys. A 303 (1981) 173 Zwei U-Kerne nahe beieinander sehen für Elektronen wie Z=184 aus... Bisher wurde der Effekt aber noch nicht in U-U-Kollisionen beobachtet! Moderne Experimente der Kernphysik Prof. Thorsten Kröll Vorlesung 21 06.02.2012 36