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Nuclear matter has exotic properties Nuclear matter is extremely heavy 280 Million Tons per cm 3 nuclear matter Although we know nuclear matter only in.

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Präsentation zum Thema: "Nuclear matter has exotic properties Nuclear matter is extremely heavy 280 Million Tons per cm 3 nuclear matter Although we know nuclear matter only in."—  Präsentation transkript:

1 Nuclear matter has exotic properties Nuclear matter is extremely heavy 280 Million Tons per cm 3 nuclear matter Although we know nuclear matter only in small portions inside atoms, it exists in nature also in big portions: - Neutron Stars have a diameter of typically 10 km Around normal nuclear ground state density the compressibility can be determined from Giant Monope Resonances - Compressibility k= MeV 209 Bi 115 In

2 Nuclear matter has exotic properties 'global properties' e.g. binding energies, radii, charge density distributions nucleon-nucleon interaction Nuclear matter properties

3 Element Production in the Universe Eta Carinae Sun RgDs Big Bang nucleosynthesis Hydrogen burning/CNO Helium burning Carbon burning Neon burning Oxygen burning Silicon burning photodesintegration spallation on ISM s-process / p-process in AGB stars r-process in supernovea

4 Big Bang Solar abundance (Si 28 = 10 6 ) fusion reactionsneutron reactions Mass number Solar Abundances of Elements Why is Fe more common than Au ? Why do the heavy elements exist and how are they produced? Can we explain the solar abundances of the elements? open questions:

5 Table of Nuclides Today's definition: superheavy are nuclei with Z 104 (Rutherfordium, Rf) Stabile Kerne β +, ε Zerfall β _ Zerfall p Zerfall α Zerfall Spontanspaltung

6 Super Heavy Elements (SHE) Übersicht Synthese: Neutronenbestrahlung ( ) Heiße Fusion ( ) Kalte Fusion (ab 1974) Nachweis von superschweren Elementen mit dem Geschwindigkeitsfilter SHIP Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld Implantationsdetektor und Alpha-Zerfall Coulomb-Barriere Q-Wert der Fusionsreaktion Wirkungsquerschnitt der Reaktion Alpha-Zerfall Thomas Bauer

7 Neutronenbestrahlung (~1940) Schwere Elemente werden mit Neutronen beschossen Strategie erfolgreich bis Element 100 (Fermium) Fermium besitzt kein Isotop mit β _ -Zerfall! kurze Lebensdauer aufgrund α-Zerfall und Spaltung 23 min d

8 Heiße Fusion (~1952) Leichtes Projektil wird auf schweres Target geschossen Strategie erfolgreich bis Element 106 (Seaborgium) "Heiße" Fusion X + Actinide E* CN 45MeV 4n-5n Kanal "n-reiche" Isotope Hot Fusion

9 Kern-Fusion r Reaktion: a + A C B + b > Δm = m a + m A - m CN Herausforderung: Coulomb-Barriere V C zwischen Projektil und Targetkern muss überwunden werden Anregungsenergie des Compoundkerns E*=E kin +Δm·c 2 muss reduziert werden (Abdampfung von Neutronen), um Spontanspaltung zu verhindern.

10 Kalte Fusion (~1974) Ein schwerer und mittelschwerer Kern werden verschmolzen Einschussenergie: Kernen müssen gerade eben die Coulomb-Barriere überwinden "Kalte" Fusion X + Pb, Bi E* CN 10MeV 1n Kanal "n-arme" Isotope Soviel Energie wie nötig, aber so wenig Energie wie möglich.

11 Nachweis von verschiedenen Kernen Grundsätzliche Ausnutzung der unterschiedlichen Ablenkungen von verschieden schnellen/ schweren geladenen Atomen im e.m. Feld. Einfachste und älteste Methoden: Parabelmethode (E und B parallel) Wien-Filter (E und B senkrecht) Ablenkung nach unten: Ablenkung zur Seite :

12 UNILAC Experimental Area

13 Seperator for Heavy Ion Products (SHIP) - 11 Meter lang - Separationszeit 1-2μs - Vakuumbedingungen

14 SHIP – Target Rad besteht aus Pb oder Bi-Folie ( ) g/cm 2 und dreht sich mit 1000 U/min niedrige Schmelztemperaturen begrenzen den maximalen Strahl auf 2x10 12 Teilchen/s - Kühlung durch Metallplatten

15 SHIP – Quadrupol Linsen Linsen fokussieren den Strahl - nötig wegen Streuung am Target - Maße Radius: 7.5cm Länge: 25cm

16 SHIP – Velocity Filter Reaktionsprodukte verlassen das Target langsamer E- und B-Feld stehen senkrecht electric deflectors: ±330 kV dipole magnets: 0.7 T max

17 Wahl von E und B bestimmt die durchzulassende Geschwindigkeit Abgelenkter Strahl wird auf gekühlter Kupferplatte gestoppt SHIP – Velocity Filter

18 Strahl ist nun grob gefiltert, aber - Teilchen mit hoher Geschwindigkeit werden aussortiert - Teilchen mit zufällig gleicher Geschwindigkeit wie die SHE passieren aber den Filter Lösung ist der 5. Dipolmagnet SHIP – Velocity Filter

19 SHIP – 5. Dipolmagnet Lenkt den Strahl um 7.5° ab - sehr schnelle Teilchen werden weniger abgelenkt - zufällig gleichschnelle Teilchen werden aufgrund ihrer niedrigeren Energie mehr abgelenkt

20 SHIP - Detectors time of flight-detector (tof) - besteht aus dünnen C-Folien (2 oder 3 hintereinander) stop-detector - besteht aus 7 identischen 16-Streifen Silizium-Detektoren und drei Germanium-Detektoren

21 SHIP - tof gibt an, wenn ein SHE-Kandidat den Geschwindigkeitsfilter passiert hat grobe Massenbestimmung (±10%)

22 SHIP – Stop-Detektor ortsempfindliche Silizium- Sperrschichtzähler bestimmen Auftreffort und Energie Fläche: 27 * 87mm 2, Dicke: 0.3mm, bei Kühlung 260K ΔE=30keV (FWHM), Δx=0.3mm (FWHM) Zerfallsketten können dort beobachtet werden (Mutter-, Tochter, Enkelinkern usw.): Korrelationsmethode

23 Typische Beobachtung im Detekor

24 Synthesis of Heavy Elements 70 Zn 208 Pb n Fusion _1_ 10 12

25 The production cross section: fusion cross section and survival probability Earth: -Area 1.3x10 8 km 2 1.3x10 14 m 2 Wetzlar: Area km 2 1.3x10 7 m 2 /2 Charlotte Buffs house: Area x 130 m 2 1.3x10 2 m 2 Nucleus: 1 barn = cm 2 = m 2 fusion cross section: < 1 barn Production cross section : 1 pbarn = barn 1: :10 7 1:10 5

26 Ereignisrate für SHE-Produktion 2·10 12 /s Projektile 208 Pb Target (0.5mg/cm 2 ) 208g 6.02·10 23 Atome 0.5mg 1.45·10 18 Atome Luminosität: N p ·N t =2.9·10 30 [s -1 cm -2 ] SHIP Transmission: ε=40% Wirkungsquerschnitt: σ =1[pb] = [cm 2 ] Ereignisrate: N p ·N t ·ε·σ = 1·10 -6 [s -1 ] = 0.1[d -1 ] NpNp N p (x)

27 known ER Hs 265 Sg 261 Rf 257 No MeV 280 s MeV 110 s 9.23 MeV 19.7 s 4.60 MeV (escape) 7.4 s 8.52 MeV 4.7 s 253 Fm 8.34 MeV 15.0 s Date: 09-Feb-1996 Time: 22:37 h Zn 208 Pb n kinematical separation (in flight) using electric deflectors and dipole magnets velocity filter Identification by - correlations down to known isotopes Synthesis and identification of heavy elements with SHIP 12 m 8 cm 31 cm

28 natural, stable artificial, unstable natural, unstable discovered at GSI, unstable not yet confirmed Periodic Table of the Elements Cn Copernicium


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