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Wissenschaft für alle Mittwoch, 19. Dezember 2007, 14h Hörsaal Wir sind aus Sternenstaub gemacht... Die kleinen und großen Tricks der Natur bei der Synthese.

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1 Wissenschaft für alle Mittwoch, 19. Dezember 2007, 14h Hörsaal Wir sind aus Sternenstaub gemacht... Die kleinen und großen Tricks der Natur bei der Synthese der Elemente in den Sternen Fritz Bosch, GSI

2 "Alle Menschen streben von Natur aus nach Wissen" Aristoteles, Erster Satz der "Metaphysik" " Πάντες άνθρωποι τοϋ ειδέναι ορέγονται φύσει " Warum machen wir uns Gedanken über die Natur und das Universum? Aristoteles erklärt das ganz einfach: April 1945

3 ...Wo kommen wir her und wo gehen wir hin?...Warum gibt es uns und das Universum überhaupt?

4

5 ...wir wollen verstehen, wie alle die Elemente in unserem Sonnensystem und überall sonst im Universum entstanden sind

6 Aber Du hast alles geordnet nach Maß, Zahl und Gewicht, Weisheit Salomos 11, 21

7 Das "anthropische Prinzip" Es könnte noch ungezählt viele andere Universen geben, die mit unserem nicht "kausal verbunden" sind. Dort könnten andere Naturgesetze gelten, die nicht zur Entwicklung von Materie, Sternen, Galaxien und unseren Lebensformen geführt haben. Unser Universum hat also "zufällig" so fein abgestimmte Naturgesetze, dass nach Milliarden von Jahren intelligente Wesen in der Lage sind, über diese Gesetze nachzudenken.

8 Wir sind aus Sternenstaub gemacht... das wissen wir aber erst seit 50 Jahren* * E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler, F. Hoyle * E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler, F. Hoyle Review of Modern Physics () 587 Review of Modern Physics 29 (1957) 587 B 2 FH

9 ...vor etwa 14 Milliarden Jahren...

10 Das Universum ist am Anfang unvorstellbar klein und 'heiß' Das Produkt aus 'Größe' (R) und Temperatur (T) ist konstant Teilchen und ihre Antiteilchen entstehen fortlaufend aus Strahlung und vernichten sich gegenseitig solange die Energie der Strahlung (= thermische Energie kT) größer als zweimal die 'Ruheenergie' des Teilchens ist Proton und Neutron im 'thermischen Gleichgewicht' : T > 10 Milliarden Grad Protonen werden zu Neutronen: p Neutron + Positron + Neutrino - Energie (aus der heißen Umgebung) Neutronen werden zu Protonen: n Proton + Elektron + Antineutrino + Energie

11 'Primordiale' Bildung der Elemente Helium und Lithium etwa 6 – 200 Sekunden nach dem Anfang bei T 10 Milliarden Grad Bildung von Neutronen und Protonen im Gleichgewicht Temperatur: 1010 K K Danach stoppt die Fusion für viele hundert Millionen Jahre!! Abstoßung der Atomkerne wird zu groß bei fallendem T. Es gibt keine stabilen Kerne mit Massenzahlen A =5 und A =8

12 Unsere Milchstraße ist nur ein Sandkorn Der Andromedanebel, unsere Schwestergalaxis...dann bilden sich die ersten Sterne und Galaxien...

13 Wasserstoffwolken im Adler künden die Geburt neuer Sterne Quelle: NASA und Hubble-Teleskop

14 Supernova 1987A Februar 1987 in der Großen Magellanschen Wolke Woher kommt das Material der neuen Sterne ? Aus den abgeworfenen Hüllen von Riesensternen und aus explodierten Sternen (Supernovae)

15 Im Innern der ersten Sterne beginnt viele hundert Millionen Jahre nach dem Anfang der "zweite Anlauf" für die Bildung der Elemente

16 Entdeckung der Isotope durch Aston 1920 Elemente (gleiche Ordnungszahl) können unterschiedliche Massenzahlen haben

17 Werner Heisenberg, Nobelpreis 1932 Ein Atomkern besteht aus Z Protonen und N Neutronen: N + Z = Massenzahl A 12 C : Z = 6 (Element Kohlenstoff), A = 12 N = 6 14 C : Z = 6 " A = 14 N = 8

18 Ein Atomkern besteht aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen Ein freies Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti) Neutrino, da es um 0, g schwerer als ein Proton ist Ein freies Proton kann nicht zerfallen 1. Trick: In einem Atomkern sind beide Zerfallsarten möglich Bedingung: Die Gesamtmasse des Tochterkerns muss kleiner als die gesamte Masse des Mutterkerns sein Die Masse eines Atomkerns ist kleiner als die gesamte Masse seiner Bausteine Massendifferenz x c 2 = Bindungsenergie

19 Isotope und Stabilität von Atomkernen Isotope und Stabilität von Atomkernen Hat ein Atomkern 'zuviele' Neutronen oder Protonen, kann eines davon zerfallen: n p + e - + Antineutrino ( β - - Zerfall ) p n + e + + Neutrino (β + -Zerfall) 3 H ( Z = 1, N = 2) 3 He + ( Z = 2, N = 1); A = 3

20 1. Unsere Existenz – eine Frage von Sekunden Im Zentrum der Sonne herrscht eine Temperatur von 15 Millionen Grad Plasma aus Protonen, Elektronen und Helium mit 150 Gramm/cm 3 Es gibt keine freien Neutronen p n + e + + ν geht nicht !! Wie zündet das Sonnenfeuer ?? p + p 2 He nicht stabil ! p + 3,4 He 4,5 Li nicht stabil

21 Herr, Deine Idee, die Elemente in den Sternen zu erzeugen..... ist wunderbar... Aber wie willst Du dort schwere Atomkerne erzeugen, wenn es keine Neutronen gibt ?? Ein Königreich für ein Neutron !! Kleinmütiger! Wozu haben wir die schwache Wechselwirkung! ??? אבג Erste himmlische Ratlosigkeit

22 1. Wunder: Eines der Protonen verwandelt sich in ein Neutron gemäß p n + e + + Neutrino, obwohl das freie Neutron eine größere Ruhemasse als das freie Proton hat !! weil Proton und Neutron den Atomkern 'Deuteron' = 2 H bilden, dessen Ruhemasse kleiner als die Ruhemasse von zwei freien Protonen ist Für ein Proton im Sonnenzentrum ist die Wahrscheinlichkeit, fusioniert zu werden, äußerst klein: es muss im Mittel 14 Milliarden Jahre darauf warten! Am Anfang aller Sonnen steht die schwache Wechselwirkung

23 Die "schwache Urfusion" : p + p 2 H + e + + ν e 1. Die Protonen müssen in Kontakt kommen 2. Dazu brauchen sie eine Energie von 1 Million eV Sie haben im Mittel aber eine fast tausendmal kleinere Energie es gibt nur ganz wenige mit (viel) größerer Energie es gibt den "Tunneleffekt" Die Protonen haben s "Zeit" – dann werden sie weggekickt

24 Das "Gamow-Fenster": garantiert nicht von Windows!

25 Deuteron 2 H (d) Sein oder Nichtsein ist also eine Frage von 0, Sekunden

26 Ein Proton "wartet" 14 Milliarden Jahre auf p + p d +e - + ν e p + d 3 He 6 Sekunden 3 He + 3 He 4 He + 2p 1 Million Jahre

27 p + p 2 H + + e + ν e MeV 2 H + + p 3 He MeV 3 He + 3 He 4 He + 2p +12,9 MeV 4 p 4 He +2 e ν e + 25 MeV Zahl der in der Sonne erzeugten Neutrinos /s = 2x L ¤ /25 MeV = 50x /(25x 10 6 ) =2x10 38 /s Auf der Erde: 2x10 38 / 4πR 2 : /[cm 2 s]

28 Es gibt mehr Dinge zwischen Himmel und Erde, als eure Schulweisheit sich träumen lässt There are more things in heaven and earth than are dreamt of in your philosophy, Horatio! Ich glaub' nur, was ich seh'!

29 Auf der Erde misst man pro m 2 etwa 1400 Watt Sonnenleistung Wie macht die Sonne das?? Keine chemischen Prozesse, sondern Kernfusion R = km T = 5800 K L ¤ = 1400 W x 4π R 2 (R = Abstand Erde-Sonne = 1,5 x m) = 4 x W = eV/s L ¤ = W seit 4,6 Milliarden Jahren !!

30 Die nie zu hörende wichtigste Nachricht jedes Tages: Nur der tief unter der Erdoberfläche mit tausenden von 'Photomultipliern' gemessene Neutrinofluss (10 12 / [cm 2 s] erlaubt eine aktuelle Kontrolle der Energieproduktion der Sonne Neutrino-Detektor im Gran Sasso, Italien

31 SNO: Sadbury Neutrino Observatory Kanada, für hochenergetische Sonnenneutrinos: ν + e - Cerenkov-Licht GALLEX Neutrino Detektor Gran Sasso, Italien für p + p Sonnenneutrinos ν + 71 Ga 71 Ge + Elektron

32 Neutrino Detektor, Homestake Mine South Dakota USA ν + 37 Cl 37 Ar + Elektron Kamiokande Neutrino Detektor Kamioka, Japan, für hochenergetische Sonnenneutrinos: ν + e - Cerenkov -Licht

33 Herr, fast alles ist jetzt wunderbar.. in Deiner Schöpfung.. Aber musstest Du unbedingt diese seltsamen Neutrinos erschaffen, die bei uns allen Kopfweh verursachen ? Auch Deine ständige Migräne kommt nicht von ungefähr !! Okay, ich schaff' sie ab, falls Luzifer nicht rummosert! Wir haben jetzt vielleicht eine neue Erklärung für unsere Migräne - aber wozu braucht man diese Neutrinos eigentlich ??

34 2. Das große Nachdenken oder: Wie kommen wir zu Kohlenstoff und Sauerstoff ?? 4 He + p 5 Li nicht stabil ! 4 He + 4 He 8 Be nicht stabil

35 Herr, Deine Idee mit der DNA ist wunderbar Daraus wird aber leider nix ! Weil Deine Lieblingsengel von der Kernphysikabteilung gepennt haben! 5 Li is' nicht, 8 Be dito, wie sollen wir da zu 12 C kommen !! ??? Ich frag' mal Fred Hoyle! ???

36 Fred Das eigentlich größte Wunder – oder Fred Hoyles Traum im Jahr 1954 vom angeregten 12 C –Zustand: 3 4 He- Kerne, für s "zusammen" könnten in Energie und allen "Quanten- zahlen" einem angeregten Zustand des 12 C-Kerns bei 7.3 MeV entsprechen ! dieser Zustand (0+) wurde gefunden!

37 Stellare Nukleosynthese: Fusion bis zum Eisen

38 Wie macht die Natur die schweren Nuklide A > 56?

39 Herr, wir können jetzt alles bis zum Eisen durch Fusion herstellen! Dann ist aber Ende!! Hast Du noch schlimmere Tricks auf Lager, als den mit den Neutrinos ?? ??... ich flattere auf die nächste Sprosse - aber was soll das?? Erst schluckst Du ein Neutron; dann verwandelst Du ein Neutron in ein Proton, dann... Nein !! Stell Dir vor, Du wärst ein Huhn. Was machst Du, wenn Deine Leitersprosse voll ist? ??? Think! Dein Huhn ist genial, Herr! 3. Die stellare "Hühnerleiter" erzeugt Elemente von Eisen bis Wismut durch eine Kette von Neutronen-Einfängen und Betazerfällen (Neutron Proton)

40 p process Dy Ho Er r process s process In Riesensternen gibt es Neutronen aus Kernreaktionen Durch Neutroneneinfang kann ein Kern die Massenzahl A durch Betazerfall die Protonenzahl um eine Einheit vergrößern Hat er schon mehr als genug 'gefressen', kann er ein Neutron wieder loswerden durch n p + e - + ν e * (β - ) im 'Zigzag' eins nach "links", eins nach "oben" s-Prozess: 'slow neutron capture' T 300 Millionen K

41 Supernova 1987A Viele Nuklide, die im s-Prozess nicht erzeugt werden, z.B. Uran, Thorium.. entstehen im "r-Prozess" (rapid neutron capture) in einem gigantischen Neutronenfluss, wahrscheinlich bei der Explosion einer Supernova innerhalb einer Sekunde Zugleich mit ihrer Erzeugung werden sie in den interstellaren Raum geschleudert und bilden dort die "Saat" für neue Sterne

42 r-Prozess (rapid neutron capture) bei der Explosion einer SN?

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44 Was von der Supernova im Jahr 1056 übrigblieb: 'Krebsnebel' M1

45 Wo passiert das alles und wie lange dauert es? Auf der "Hauptreihe" erfolgt die Fusion Wasserstoff Helium Unsere Sonne tut dies friedlich seit 4.6 Milliarden Jahren und noch etwa weitere 5 Milliarden Jahre Massereichere Sterne bleiben viel kürzer, masseärmere wesentlich länger auf der "Hauptreihe" D Die höheren Fusionsschritte erfolgen in Riesensternen und dauern wesentlich kürzer (der allerletzte Schritt, die Fusion zu Eisen, ist eine Sache von Stunden). Für unsere Sonne endet die Fusion bei Kohlenstoff

46 In etwa 5 Milliarden Jahren wird die Sonne die Erdbahn verschlingen

47 Wir wollen die Pfade der stellaren Synthese der Elemente im Labor nachzeichnen Dazu müssen wir instabile Nuklide im Fragmentseparator erzeugen, in den ESR transportieren, sie dort "kühlen" und dann ihre Masse und Lebensdauer messen Fragmentseparator und Speicherring Aus den Massen kann man den "Weg" der stellaren Elementsynthese erschließen, aus den Lebensdauern die Häufigkeiten

48 Der Experimentier-SpeicherRing ESR

49 time SMS 4 particles with different m/q Yu.A. Litvinov

50 Small-band Schottky frequency spectra

51 Am Fragmentseparator und Speicherring gemessene Massen Masses of more than 1100 Nuclides were measured Mass accuracy: SMS up to IMS ~ Result: ~ 350 new masses In addition more than 300 improved mass values ILIMA, Technical Proposal Yu.A. Litvinov, G. Audi et al.

52 Versuch einer Antwort Jedes Atom im Universum - außer Wasserstoff und Helium - wurde und wird im Innern massereicher Sterne ('Riesensterne oder Supernovae) 'gekocht' Das "Rezept" ist Kernfusion und schwache Kraft. Der erste und wichtigste Schritt, die Bildung eines Deuterons ( 2 H) aus zwei Protonen, ist dem schwachen Zerfall zu verdanken. Die in der stellaren Synthese erzeugten Atomkerne gelangen durch den Abwurf der Sternhülle oder die Explosion des Sterns in den interstellaren Raum. Später verdichtet sich diese Materie dann wieder und wird der Grundstoff neuer Sterne und Planeten, z.B. unserer Sonne und unserer Erde....wir sind aus demselben Sternenstaub gemacht wie der Mond, die Palme, die Bank und das Meer... Ohne die schwache Kraft gäbe es keine Sterne und auch uns nicht. "Schwach" ist sehr, sehr stark!


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