Superschwere Elemente (SHE)

Gliederung Einführung Historie Flüssigkeitstropfenmodell Schalenkorrekturen (Strutinsky-Modell) Produktion superschwerer Kerne – heisse und „kalte“ Fusion - GSI Darmstadt (SHIP) und RIKEN - Dubna Fälschung in der Wissenschaft – „Entdeckung“ von Z=118 in Berkeley

Superschwere Elemente

Geschichte der Erzeugung der schweren Elemente

Energiebilanz der schweren Elemente Schwere Kerne können durch Spaltung zerfallen!

Energie eines Ellipsoiden im Tröpfchenmodell Entwicklung des Radius R in Kugelflächenfunktionen Achsen des Ellipsoiden Oberflächenenergie Coulombenergie Änderung durch Deformation Energie des Ellipsoiden als Funktion der Deformation Tröpfchen- modell Deformation Energie Kein Minimum Spaltparameter

Kombination von Tröpfchen- und Schalenmodell: Strutinsky-Methode Das Verhalten der Bindungsenergien zeigt einen glatten globalen Trend und Oszillationen um den glatten Trend Frequenz ist durch Schalenstruktur bestimmt Energieabstände zwischen den Hauptschalen im Schalenmodell: Tröpfchenmodell: sagt totale Bindungsenergie global gut voraus ® Weizsäckersche Massenformel Aber: enthält keine Schaleneffekte z.B. höhere Bindungsenergie von doppelt-magischen Kerne Schalenmodell: - sagt Eigenschaften der „letzten“ gebundenen Nukleonen gut voraus totale Bindungsenergie wird schlecht reproduziert Idee von Strutinsky (... nehme das Beste aus beiden Modellen):

Zustandsdichte der diskreten Zustände Führe Zustandsdichte g(e) ein: Anzahl der Zustände im Energieintervall von e bis e+de: Teilchenzahl A legt die Fermi-Energie l fest: Für diskrete Zustände ist die genaue Lage der Fermi-Energie natürlich nicht festgelegt. erster freier Zustand l letzter besetzter Zustand

Totale Energie Diskrete Zustände: Geglättete Dichte (Gauss-verschmierte Zustände): Feststellungen: Zustände tief unterhalb der Fermi-Energie tragen ei bei Zustände weit oberhalb der Fermi-Energie tragen nichts bei g(e) oszilliert aufgrund der Schalenstruktur um die geglättete Dichte An einem Schalenabschluss passiert folgendes: hohe/niedrige diskrete Zustandsdichte unter-/oberhalb geringere/höhere geglättete Zustandsdichte unter-/oberhalb um gleiche Teilchenzahl zu erhalten muss man für geglättete Dichte zu höheren Energien integrieren

Schalenkorrektur Differenz zwischen der diskreten und der geglätteten Zustandsdichte: Schalenkorrektur: Totale Energie: An einem Schalenabschluss werden die Schalenkorrekturen negativ. Dies bedeutet eine höhere Bindungsenergie, was der experimentellen Situation entspricht!

Minimale Energie als Funktion derDeformation

Erste Vorhersagen von Superdeformation in Aktinidenkernen Mit Schalenkorrektur Ohne Schalenkorrektur Zweites Minimum bei großer Deformation Strutinsky, Nuclear Physics A95 1967

Stabilisierung superschwerer Elemente durch Schalenkorrekturen

Wo ist der nächste doppelt magische Kern?

Verschiedene Vorhersagen für Schalenabschlüsse 126 120 Z 120 114 160 180 200 220 240 260 160 180 200 220 240 260 N N=184 Schalenabschluss für Neutronen ist von allen Modellen vorhergesagt Lage des Schalenabschlusses für Protonen ist sehr sensitiv auf Details der Theorie (Z=114, 120, 126 ?)  Struktur der SHE ist ein empfindlicher Test für die Modelle

Überlegungen zum Experiment Erwartete Zählrate N = s Nt Np e Produktionsquerschnitt s = 1 pbarn ( 10-35 cm2) Anzahl der Projektile pro Sekunde Np = 5 ·1012 s-1 Anzahl der Targetkerne Nt = 1018 cm-2 Effizienz des Detektorsystems e = 50 % Rate nachgewiesener Teilchen : N = 2.5 ·10-6 s-1 ( 1 Atom pro 5 Tage) Spaltungsquerschnitt s = 100 mbarn ( > 1011 mal größer) Gestreute Projektile oder Transferprodukte könne die gleiche Kinematik haben èWir brauchen eine gute Separation der Reaktionsprodukte bis zu Z=104 : normale chemische Separation möglich Z  106: Separation im Flug èWir brauchen auch eine eindeutige Identifikationsmethode

„Kalte“ Fusion mittelschweres Projektil auf doppelt magisches Target 208Pb geringe Anregungsenergie des Restkerns Abdampfung nur eines Neutrons Die geringe Anregungsenergie kommt durch den Schalenabschluss des Targetkerns zustande.

Kalte Fusion durch Schaleneffekte (Kalte Täler) „kaltes Tal“ Heisse Fusion Energie Abstand zwischen den Protokernen [fm] Anzahl der Nukleonen in den Protokernen

Geschwindigkeitsfilter B-Felder Target E-Felder

Geschwindigkeitsfilter SHIP der GSI

SHIP Experiment an der GSI Darmstadt Time of flight detectors Position sensitive focal plane detector Target wheel Beam stop Magnetic dipole Magnetic quadrupole Electric dipole Maximal: 0.3 particle mA = 2.1012 particles/s

Flugzeitzähler und Antikoinzidenz Microchannelplate Detektoren mit E und B Feldern E-Feld in Strahlrichtung B-Feld senkrecht zur Strahlrichtung Elektronen werden in der Kohlenstofffolie produziert Beschleunigung und Ablenkung durch E- und B- Feld Verstärkung durch Channelplate Nachweis der Elektronen in der Anode Eintrittsfolie E-Feld Rückstoßkern Flugzeit ermöglicht grobe Massenmessung Antikoinzidenz: Bei Alphazerfall im Implantationszähler darf kein MCP Signal vorliegen Anode e- MCP

Implantationszähler Flugzeit-Zähler Si-Streifenzähler (16 5mm breite vertikale Streifen) Vertikale Position über Ladungsteilung (1mm Auflösung)

Zerfall von 265Hs (Z=108) a-Energien 263 Hs 264 Hs 265 Hs 266 Hs 267 Hs 269 Hs Hassium ? 0.45 ms 0.8ms 1.7ms 2.3 ms 59 ms  9.3 s a a ,sf a a a a a a Bh 107 260 Bh 261 Bh 262 Bh 264 Bh 266 Bh 267 Bh ? 11.8 ms 102ms 8ms 440 ms » 1s » 17 s Bohrium a a a a a a a 106 Sg 258 Sg 259 Sg 260 Sg 261 Sg 262 Sg 263 Sg 265 Sg 266 Sg 2.9 ms 0.48 s 3.6 ms 0.23 s 6.9 ms 1.4s 7.4 s 21 s Seaborgium sf a a ,sf a ,ec 0.3s 0.9s sf a a ,sf? a ,sf? a ,sf? 105 Db 255 Db 256 Db 257 Db 258 Db 260 Db 261 Db 262 Db 263 Db 160 1.6 s 2.6 s 1.3 s 4.4 s 1.5 s 1.8 s 34 s 27 s Dubnium a ,sf a ,sf a ,sf a ,ec a ,ec/sf? a ,sf a ,ec/sf? a ,sf Rf 253 Rf 254 Rf 255 Rf 256 Rf 257 Rf 258 Rf 259 Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf fordium Ruther- 48 s 23 s 0.8s 1.4s 1.4s 6.1 s 4.7s 13 ms 3.1 s 21 ms 78 s 47ms 2.1s sf sf a ,sf a ,sf sf, a a ,ec a ,ec sf a ,sf sf a sf sf 150 152 154 156 158 N a-Zerfall Spontanspaltung EC-Zerfall Sukzessive Zerfälle müssen am gleichen Ort stattfinden a-Energien müssen mit bekannten Energien übereinstimmen

Ereignisse im Implantationsdetektor für Z=110 (Ds) und 111 (Rg) 62Ni + 208Pb269110 +1n 64Ni + 208Pb271110 +1n 64Ni + 209Bi272111 +1n

Messung der Anregungsfunktion 64Ni + 208Pb  271Ds (Z=110) +1n „Richtige“ Strahlenergie muss genau getroffen werden!!!!

Zerfallsketten für Isotop 271Ds Isomer Kein Signal  , EC Zerfall Komplett absorbiert im Implantationszähler Escape (nur DE Signal) Zerfall in die Rückwärtsbox (Summenenergie)

Vergleich mit theoretischen Vorhersagen für 271Ds

Element 113 (2004) @ RIKEN 70Zn + 209Bi → 278113 + n 270Mt 274Rg Nachweis von neuem Element (Z=113) und zwei neuen Isotopen 274Rg und 270Mt, bevor mit 266Bh ein Isotop mit bekannten Zerfallseigenschaften erreicht wird.

Heiße Fusion leichtes Projektil auf Aktinidentarget è neutronenreichere Isotope hohe Anregungsenergie des Restkerns Abdampfung mehrerer Neutronen Wahrscheinlichkeit für das „Überleben“ des Restkerns: bei der Abdampfung jedes Neutrons gibt es auch immer die Möglichkeit der Spaltung

Gas-gefüllter Separator Magnetfeldregion mit ~ 1 Torr He Gas gefüllt Schwerionen verlassen das Target mit Ladungsverteilung Streuung der Ionen mit dem Gas (Geschwindigkeit der Ionen etwa gleich groß wie die Geschwindigkeit der Elektronen)  Ladungsaustauschstreuung  schmale Ladungsverteilung um mittl.Ladungszustand  höhere Akzeptanz des Systems da Vakuumsystem nur wenige Ladungszustände akzeptieren kann magnetische Steifigkeit B ist in erster Näherung von der Geschwindigkeit unabhängig da auch der mittlere Ladungszustand von der Geschwindigkeit abhängt große Akzeptanz ABER - geringere Auflösung - geringere Untergrundunterdrückung B = 0.0227 A v/v0 q-1 q = v/v0 Z1/3

Dubna Gas-gefüllter Separator

nur kurze Zerfallskette „Enkel“ spaltet keine eindeutige Signatur

Nuklidkarte der Transaktiniden 2008 Problem der Dubna Resultate: Zerfälle enden oft nicht in bekannten Isotopen Zerfallsketten sind oft sehr kurz Korrelationszeiten sind sehr lang 118 294118 116 290116 291116 116 292 116 293116 a » 33 ms 287115 288115 115 Z=113 am RIKEN (Japan) nach kalter Fusion eindeutig nachgewiesen ... in einer dreimonatigen Strahlzeit! 114 286114 114 287 114 288 114 289 114 a »5 s a »2 s a »20 s 113 278113 282113 283113 284113 176 112 112 277 112 282112 283 112 284 112 285 112 Roentgenium (Rg) 194ms 277ms  3 min »10 s »10 min a a sf a a 272 274Rg 278Rg 279Rg 280Rg 111 111 174 a 1.5 ms Darmstadtium (Ds) 267 110 269 110 270 271 110 110 110 273 110 279Ds 280 110 281 110 ? 170 m s 0.1ms 6 ms 1.1ms 56 ms a a a a a 76 ms 118ms »7 s a a a sf a »1 min 109 Mt 266 Mt 268 Mt 270Mt 274Mt 275Mt 276Mt 170 172 Meitnerium 1.7 ms 70 ms a a 108 Hs 263 Hs 264 Hs 265 Hs 266 Hs 267 Hs 269 270Hs 271Hs 275Hs Hs 277 Hs Hassium a ? a 0.45 ms ,sf 0.8ms 1.7ms 2.3 ms 59 ms  9.3 s »10 min heisse Fusion a a a a a a sf 107 Bh 260 Bh 261 Bh 262 Bh 264 Bh 266 Bh 267 Bh 270Bh 271Bh 272Bh Z Bohrium ? 11.8 ms 102ms a a 8ms 440 ms » 1s » 17 s 166 168 a a a a a 106 Sg 258 Sg 259 Sg 260 Sg 261 Sg 262 Sg 263 Sg 265 Sg 266 Sg 267Sg 271Sg 2.9 ms 0.48 s 3.6 ms 0.23 s 6.9 ms 1.4s 7.4 s 21 s Seaborgium sf a a ,sf a ,ec sf a 0.3s a 0.9s ,sf? a ,sf? a ,sf? 105 Db 255 Db 256 Db 257 Db 258 Db 259Db 260 Db 261 Db 262 Db 263 Db 266Db 267Db 268Db Dubnium 1.6 s 2.6 s 1.3 s 4.4 s 1.5 s 1.8 s 34 s 27 s 160 164 a ,sf a ,sf a ,sf a ,ec a ,ec/sf? a ,sf a ,ec/sf? a ,sf Rf 253 Rf 254 Rf 255 Rf 256 Rf 257 Rf 258 Rf 259 Rf 260 Rf 261 Rf 262 Rf 263Rf 267Rf ... wie geht‘s weiter???? 162 fordium Ruther- 48 s 23 s 1.4s sf sf a 0.8s ,sf 1.4s 6.1 s a ,sf sf, a 4.7s 13 ms 3.1 s 21 ms 78 s 2.1s a ,ec a ,ec sf a ,sf sf a 47ms sf sf 150 152 154 156 158 N a-Zerfall Spontanspaltung EC-Zerfall Neue Elemente/Isotope seit 2001 (nicht nach Zerfallsart klassifiziert)

Zusammenfassung: Wirkungsquerschnitte Die theoretische Vorhersage von Wirkungsquerschnitten in der Größe von pb ist sehr schwierig! Spaltung mehrere Größenordnungen stärker! Sehr genaues Verständnis des Fusionsprozessen notwendig!

... durchaus fragwürdige Vorhersagen R. Smolanczuk Schön, wenn es wahr wäre!!! ABER: Modell ist sehr vereinfachend!!!

Das Berkeley Experiment zu Z=118 Gasfilled Separator

EPJ A 14, 147 (2002) Ergo: Fälschungen werden im Allgemeinen gefunden und lohnen daher nicht!!!!