synthese schwerer elemente: s- und r-prozess tobias heil 6. vortrag des seminar über nukleare...
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Synthese schwerer Elemente:
s- und r-ProzessTobias Heil
6. Vortrag des Seminar über Nukleare Astrophysik und Anwendungen – SS04
Institut für Kern und Teilchenphysik
Universität Münster
Inhalt des Vortrags
- Möglichkeiten zur Bildung von .“Trans-Iron“ Elementen
- s-Prozess- r-Prozess- rp-Prozess- Vergleich der drei Prozess- Beispiele aktueller Forschung
Möglichkeiten zur Bildung von “Trans-Iron“ Elementen
=> Bildung schwerer Elemente nicht durch Fusion möglich
Möglichkeiten zur Bildung von “Trans-Iron“ Elementen
• Fusion keine Möglichkeit
• Protoneneinfang:
(Z,A) + p (Z+1,A+1) +
• Neutroneneinfang
(Z,A) + n (Z,A+1) +
Endpunkt: 209Bi
Der s(low)-Prozess
Zur Bestimmung der zeitl. Änderung von NA:
tNtvtNtNvtNtNdt
tdNAAAnAAn
A
11
)(
~ Neutroneneinfangquerschnitt
v ~ Relativgeschwindigkeit zwischen Kern und Neutron
Nn ~ Neutronendichte
NA ~ relative Häufigkeit des Kernes mit Massenzahl A
~ -Zerfallsrate
Der s(low)-Prozess
1. Vereinfachung: = 0 für quasistabile Isotope2. Vereinfachung: T = const. für den s-Prozess
=> vA =AvT =AvT
A ~ A für boltzmannverteilte Neutronenenergie
AAAAnTA NNtNv
dt
tdN 11
)(
Im Gleichgewicht gilt: A-1NA-1ANA = 0
=> Das Produkt aus Aund NAist konstant
tNtvtNtNvtNtNdt
tdNAAAnAAn
A
11
)(
Der s(low)-Prozess
per Time of Flight - Messung wird En gemessen
Nachteile: Bremsstrahlung, Länge von über 50 m
Experimentelle Bestimmung von A
Messung von A über Aktivierung der Probe
En-Verteilung wird Kollimation simuliert
Nachteil: Nur bei Isotopen mit ½ ≤ 0,5 a möglich
Experimentelle Bestimmung von A
Experimentell bestimmtes A für kT=30keV:
Bemerkenswerts:- Kleines A für die mag. Neutronenzahlen N = 8,20,28,50,82,126- je schwerer der Kern, desto größer A und desto kleiner NA
Experimentelle Bestimmung von A
Ausnutzung des sog. “Branching“Beispiel 148Sm-150Sm Vergleich:
für 150Sm größer als für 148Sm aufgrund Zuwächse über 147Nd, 148Pm und 149PmDurch Analyse verschiedener
Branchings => Nn = (4,1± 0,6)*108 n/cm³
Bestimmung von Nn
Bestimmung von T
=> durch Ermittlung der überschüssigen Menge von 176Hf Bestimmung von T möglich
=> Temperatur während des s-Prozess T = (3,0± 0,5)*108 K
(Berechnet aus mehreren Branchings)
½ bei 176Lu temperaturabhängig
Bestimmung von T
Vorraussetzungen für den s-Prozess:
• Nn ~ 4*108 n/cm³
• T ~ 3*108 K
• Beides stabil für mehr als 1000 Jahre
Kriterien werden erfüllt beim Heliumbrennen
in roten Riesensternen
Ort des s-Prozesses
Neutronenquelle beim Heliumbrennen:
22Ne + 4He 25Mg + n
13C + 4He 16O + n
Ort des s-Prozesses
Hinweis für die Entstehung schwerer Elemente in Sternen:Die Entdeckung von Technetiumlinien in der Atmosphäre von Kohlenstoffsternen (rote Riesen)
• Technetium ist instabil!• Langlebigstes Isotop 98Tc zerfällt mit
½= 4,2*106 a in 98Ru
Ort des s-Prozesses
=> Technetium muss in diesen Sternen erzeugt worden sein
43Tc - Technetium
Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?1. Der s-Prozess kann die Peaks 5-10 Masseeinheiten unterhalb der magischen Neutronenzahlen in der solaren Isotopenverteilung nicht erklären
Der r(apid)-Prozess
Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?
2. Der s-Prozess kann kein 232Th, 235U und 238U erzeugen
Der r(apid)-Prozess
Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?3. Der s-Prozess kann einige neutronenreiche Isotope nicht erzeugen
Der r(apid)-Prozess
Der r(apid)-Prozess
Endpunkt: unbestimmt (irgendwo bei A = 270)
s-,r- und sr-Isotope
“nur r“-Isotope schirmen “nur s“-Isotope vor dem r-Prozess ab
Der r-Prozess
• Da >> n , Nn ≥ 1024 n/cm³ notwendig (für n=1s)
• Eine Temperatur T ~ 109 K
=> Mögliche Orte: - Typ II Supernovae - Neutronensternverschmelzungen
Vorraussetzungen (für Modellrechnungen):
Ort des r-Prozesses
Explosives Heliumbrennen in SN Typ II:
Schockfront durchläuft äußere Schichtenwodurch Dichte und Temperatur erhöht wird=> r-Prozess Bedingungen in He-Schale
für wenige Sekunden
Neutronenquellen ebenso wie bei s-Prozess:
22Ne + 4He 25Mg + n
13C + 4He 16O + n
Ort des r-ProzessesVergleich Berechnung - solarer Verteilung:
Ort des r-ProzessesNach -Zerfall innerhalb 1010 Jahren:
(Berechnungen stammen aus den 80er Jahren)
• Ähnlich wie r-Prozess, allerdings Protoneneinfang anstatt Neutronen
• Erklärung für „nur p“-Isotope
• äußerst geringer Anteil an s- und rs-Isotopen
Der r(apid)p(roton)-Prozess
Relative Anteile an Elementen (Bsp Xe):
Vergleich der drei Prozesse
p-Isotope mit 0,18% verschwindend gerings-Isotope ~ 6% r-Isotope ~ 19,3%
Vergleich der drei Prozesse
s-Prozess
T ~ 3*108 K
Nn ~ 4*108 n/cm³
> 1000 Jahre
209Bi
Heliumbrennen
r-Prozess
T ~ 109 K
Nn ~ 1024 n/cm³
~ 1 sec
A ~ 270
Typ II SN,
NStarMergers
rp-Prozess
T ~ 109 K
?
~ 1 sec
?
Typ II SN
Beispiele aktueller Forschung
• bekannte A genauer bestimmen
• Eigenschaften von Isotope weit ab des Stabilitättals experimentell ermitteln
• r-Prozess als dynamischen Modell?• Rolle der Neutrinos beim r-Prozess?• rp-Prozess besser verstehen• Andere Erklärungen für r- und p-
Isotope finden