Synthese schwerer Elemente: s- und r-Prozess

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Synthese schwerer Elemente s- und r-Prozess

• Tobias Heil
• 6. Vortrag des Seminar über Nukleare Astrophysik
  und Anwendungen SS04
• Institut für Kern und Teilchenphysik
• Universität Münster

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Inhalt des Vortrags

• Möglichkeiten zur Bildung von .Trans-Iron
  Elementen
• s-Prozess
• r-Prozess
• rp-Prozess
• Vergleich der drei Prozess
• Beispiele aktueller Forschung

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Möglichkeiten zur Bildung von Trans-Iron
Elementen

• gt Bildung schwerer Elemente nicht durch Fusion
  möglich

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Möglichkeiten zur Bildung von Trans-Iron
Elementen

• Fusion keine Möglichkeit
• Protoneneinfang
• (Z,A) p (Z1,A1) g
• Neutroneneinfang
• (Z,A) n (Z,A1) g

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Der s(low)-Prozess
Endpunkt 209Bi
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Der s(low)-Prozess

• Zur Bestimmung der zeitl. Änderung von NA

s Neutroneneinfangquerschnitt v
Relativgeschwindigkeit zwischen Kern und
Neutron Nn Neutronendichte NA relative
Häufigkeit des Kernes mit Massenzahl A lb
b-Zerfallsrate
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Der s(low)-Prozess

• Vereinfachung lb 0 für quasistabile Isotope
• Vereinfachung T const. für den s-Prozess
• gt ltsvgtA ltsgtAvT sAvT
• sA ltsgtA für boltzmannverteilte Neutronenenergie

Im Gleichgewicht gilt sA-1NA-1 - sANA 0 gt Das
Produkt aus sA und NA ist konstant
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Experimentelle Bestimmung von sA

• per Time of Flight - Messung wird En gemessen
• Nachteile Bremsstrahlung, Länge von über 50 m

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Experimentelle Bestimmung von sA

• Messung von sA über Aktivierung der Probe
• En-Verteilung wird Kollimation simuliert
• Nachteil Nur bei Isotopen mit t½ 0,5 a möglich

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Experimentelle Bestimmung von sA

• Experimentell bestimmtes sA für kT30keV

• Bemerkenswerts
• Kleines sA für die mag. Neutronenzahlen N
  8,20,28,50,82,126
• je schwerer der Kern, desto größer sA und desto
  kleiner NA

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Bestimmung von Nn

• Ausnutzung des sog. Branching
• Beispiel 148Sm-150Sm Vergleich

sANA für 150Sm größer als für 148Sm aufgrund
Zuwächse über 147Nd, 148Pm und 149Pm
Durch Analyse verschiedener Branchings gt Nn
(4,1 0,6)108 n/cm³
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Bestimmung von T
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Bestimmung von T
t½ bei 176Lu temperaturabhängig

• gt durch Ermittlung der überschüssigen Menge von
  176Hf Bestimmung von T möglich
• gt Temperatur während des s-Prozess T
  (3,0 0,5)108 K (Berechnet aus mehreren
  Branchings)

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Ort des s-Prozesses

• Vorraussetzungen für den s-Prozess

• Nn 4108 n/cm³
• T 3108 K
• Beides stabil für mehr als 1000 Jahre

Kriterien werden erfüllt beim Heliumbrennen in
roten Riesensternen
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Ort des s-Prozesses

• Neutronenquelle beim Heliumbrennen
• 22Ne 4He 25Mg n
• 13C 4He 16O n

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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 t½
  4,2106 a in 98Ru

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43Tc - Technetium

• gt Technetium muss in diesen Sternen erzeugt
  worden sein

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Der r(apid)-Prozess
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
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Der r(apid)-Prozess

• Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?

2. Der s-Prozess kann kein 232Th, 235U und 238U
erzeugen
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Der r(apid)-Prozess
Warum ist ein zweiter Prozess notwendig?
3. Der s-Prozess kann einige neutronenreiche
Isotope nicht erzeugen
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Der r(apid)-Prozess
Endpunkt unbestimmt (irgendwo bei A 270)
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s-,r- und sr-Isotope

• nur r-Isotope schirmen nur s-Isotope vor
  dem r-Prozess ab

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Der r-Prozess
Vorraussetzungen (für Modellrechnungen)

• Da tb gtgt tn , Nn 1024 n/cm³ notwendig (für
  tn1ms)
• Eine Temperatur T 109 K
• gt Mögliche Orte
• - Typ II Supernovae
• - Neutronensternverschmelzungen

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Ort des r-Prozesses

• Explosives Heliumbrennen in SN Typ II
• Schockfront durchläuft äußere Schichten
• wodurch Dichte und Temperatur erhöht wird
• gt r-Prozess Bedingungen in He-Schale
  für wenige Sekunden
• Neutronenquellen ebenso wie bei s-Prozess
• 22Ne 4He 25Mg n
• 13C 4He 16O n

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Ort des r-Prozesses

• Vergleich Berechnung - solarer Verteilung

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Ort des r-Prozesses

• Nach a-Zerfall innerhalb 1010 Jahren

(Berechnungen stammen aus den 80er Jahren)
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Der r(apid)p(roton)-Prozess

• Ähnlich wie r-Prozess, allerdings
  Protoneneinfang anstatt Neutronen
• Erklärung für nur p-Isotope
• äußerst geringer Anteil an s- und rs-Isotopen

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Vergleich der drei Prozesse

• Relative Anteile an Elementen (Bsp Xe)

p-Isotope mit 0,18 verschwindend
gering s-Isotope 6 r-Isotope 19,3
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Vergleich der drei Prozesse

• s-Prozess
• T 3108 K
• Nn 4108 n/cm³
• gt 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

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Beispiele aktueller Forschung

• bekannte sA 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