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

Tröpfchen-modell

Deformation

En

erg

ie

23/2

5

21 AaE SS

Oberflächenenergie

23/12

5

11 AZaE CC

Coulombenergie

,1 20

YRR 1Ra 2/11 Rb

Achsen des Ellipsoiden

3/22

5

20 AaEEE SSSS 3/122

5

10 AZaEEE CCCC Änderung durch

Deformation

3/123/22

5

1

5

2AZaAaEEE CSCSD

Energie des Ellipsoiden als Funktion der Deformation

151

280/120120z.B.

1für x 02

280

x

ED

Kein Minimum

151

/2

AZ

x

Spaltparameter

Entwicklung des Radius Rin Kugelflächenfunktionen

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

OszillLDM EEE

Energieabstände zwischen den Hauptschalen im Schalenmodell: MeVA 3/10

41

Tröpfchenmodell:- sagt totale Bindungsenergie global gut voraus Weizsäckersche MassenformelAber:- enthält keine Schaleneffekte z.B. höhere Bindungsenergie von doppelt-magischen KerneSchalenmodell:- sagt Eigenschaften der „letzten“ gebundenen Nukleonen gut vorausAber:- totale Bindungsenergie wird schlecht reproduziert

Idee von Strutinsky (... nehme das Beste aus beiden Modellen):

)"(")"(" TrendglobalerEETrendglobalerEE SMSMLDM

Zustandsdichte der diskreten Zustände

A

ishoscish EEE

1

~

i

ig Führe Zustandsdichte g() ein:

dgAnzahl der Zustände im Energieintervall von bis

dgA

Teilchenzahl A legt die Fermi-Energie fest:

Für diskrete Zustände ist die genaue Lage der Fermi-Energie natürlich nicht festgelegt.

letzter besetzter Zustand

erster freier Zustand

g~

Totale Energie

dgE

~

~~

1

2

exp2

1~i

ig

dgE

i

ig

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 EE ~

Diskrete Zustände:

Geglättete Dichte (Gauss-verschmierte Zustände):

02,1

Feststellungen:• Zustände tief unterhalb der Fermi-Energie tragen i bei• Zustände weit oberhalb der Fermi-Energie tragen nichts bei• g() oszilliert aufgrund der Schalenstruktur um die geglättete Dichte

SchalenkorrekturDifferenz zwischen der diskreten und der geglätteten Zustandsdichte:

EEE~

Schalenkorrektur:

An einem Schalenabschluss werden die Schalenkorrekturen negativ.

Dies bedeutet eine höhere Bindungsenergie,was der experimentellen Situation entspricht!

EEE LDMStrutinski Totale Energie:

Minimale Energie als Funktion derDeformation

Def

orm

atio

n

Erste Vorhersagen von Superdeformation in

AktinidenkernenMitSchalenkorrektur

OhneSchalenkorrektur

Strutinsky, Nuclear Physics A951967

Zweites Minimum bei großer Deformation

Stabilisierung superschwerer Elemente durch Schalenkorrekturen

Wo ist der nächste doppelt magische Kern?

• 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

114

120

120

126

Z

N

Verschiedene Vorhersagen für Schalenabschlüsse

160 180 200 220 240 260 160 180 200 220 240 260

Überlegungen zum Experiment• Erwartete Zählrate

N = Nt Np Produktionsquerschnitt = 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 = 50 %

Rate nachgewiesener Teilchen : N = 2.5 ·10-6 s-1 ( 1 Atom pro 5 Tage)

Spaltungsquerschnitt = 100 mbarn ( > 1011 mal größer)

Gestreute Projektile oder Transferprodukte könne die gleiche Kinematik haben

Wir brauchen eine gute Separation der Reaktionsprodukte• bis zu Z=104 : normale chemische Separation möglich• Z 106: Separation im Flug

Wir 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)

Abstand zwischen den

Protokernen [fm]Anzahl der Nukleonen in den Protokernen

Fusion durch„kaltes Tal“

Heisse Fusion

En

erg

ie

Geschwindigkeitsfilter

E-Felder

B-Felder

Target

eq

mvEρ

eq

mvBρ

2

Geschwindigkeitsfilter SHIP der GSI

SHIP Experiment an der GSI Darmstadt

Electric dipole

Magnetic dipole

Beam stop

Magneticquadrupole

Targetwheel

Position sensitivefocal plane

detector

Time of flightdetectors

Maximal: 0.3 particle mA = 2.1012 particles/s

Flugzeitzähler und AntikoinzidenzMicrochannelplate Detektoren mit E und B Feldern

E-Feld in StrahlrichtungB-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

e-

E-Feld

MCP

Anode

Rückstoßkern

Eintrittsfolie

• Flugzeit ermöglicht grobe Massenmessung• Antikoinzidenz: Bei Alphazerfall im Implantationszähler darf kein MCP Signal vorliegen

Implantationszähler

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

Zerfall von 265Hs (Z=108)

Rf253

sf48 s

Rf254

sf

Rf256

sf,

Rf257

,ec

4.7s

,ec

Rf258

sf13 ms

Rf259

,sf3.1 s

Rf260

sf21 ms

Rf261

78 sRf262

sf

47ms1.4sRf255

,sf0.8s

,sf1.4s 2.1s

sf

Db257

,sf1.3 s

Db258

,ec4.4 s

Db260

,ec/sf?1.5 s

Db261

,sf1.8 s

Db262

,ec/sf?34 s

Db263

,sf27 s

Sg265

,sf?7.4 s

Sg266

,sf?21 s1.4s

Sg263

0.3s

,sf?0.9s

Sg261

,ec0.23 s

Sg260

,sf3.6 ms

Sg259

0.48 s

Sg258

sf2.9 ms

Bh261

11.8 ms

Bh264

440 ms

Bh262

102ms

8ms

Db256

,sf2.6 s

Db255

,sf1.6 s

Bh260

?

Hs263

?

Hs264

,sf0.45 ms

Hs265

0.8ms

1.7ms

Hs267

59 ms

Hs269

9.3 s

RfRuther-fordium

DbDubnium

SgSeaborgium

BhBohrium

HsHassium

105105

106106

107107

108108

150150 152152 154154 156156 158158

160160

NN

-Zerfall-Zerfall SpontanspaltungSpontanspaltung EC-ZerfallEC-Zerfall

ZZ

Bh266

1s

Bh267

17 s

Hs266

2.3 ms

Sg262

sf6.9 ms

23 s 6.1 s

• Sukzessive Zerfälle müssen am gleichen Ort stattfinden• -Energien müssen mit bekannten Energien übereinstimmen

-Energien

Ereignisse im Implantationsdetektor für Z=110

(Ds) und 111 (Rg)

62Ni + 208Pb269110 +1n 64Ni + 208Pb271110 +1n 64Ni + 209Bi272111 +1n

Messung der Anregungsfunktion

64Ni + 208Pb 271Ds (Z=110) +1n

„Richtige“ Strahlenergie muss genau getroffen werden!!!!

Zerfallsketten für Isotop 271Ds

Komplett absorbiertim Implantationszähler

Zerfall in die Rückwärtsbox(Summenenergie)

Escape(nur E Signal)

Kein Signal , EC Zerfall

Isomer

Vergleich mit theoretischen Vorhersagen für 271Ds

Element 113 (2004) @ RIKEN

70Zn + 209Bi → 278113 + n

274Rg

270Mt

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 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

FN

NNP

xi

iNXN PP

...1

)(

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

Rf253

sf48 s

Rf254

sf

Rf256

sf,

Rf257

,ec4.7s,ec

Rf258

sf13 ms

Rf259

,sf3.1 s

Rf260

sf21 ms

Rf261

78 s

Rf262

sf47ms1.4s

Rf255

,sf0.8s

,sf1.4s 2.1s

sf

Db257

,sf1.3 s

Db258

,ec4.4 s

Db260

,ec/sf?1.5 s

Db261

,sf1.8 s

Db262

,ec/sf?34 s

Db263

,sf27 s

Sg265

,sf?7.4 s

Sg266

,sf?21 s1.4s

Sg263

0.3s

,sf?0.9s

Sg261

,ec0.23 s

Sg260

,sf3.6 ms

Sg259

0.48 s

Sg258

sf2.9 ms

Bh261

11.8 ms

Bh264

440 ms

Bh262

102ms

8ms

Db256

,sf2.6 s

Db255

,sf1.6 s

Bh260

?

Hs263

?

Hs264

,sf0.45 ms

Hs265

0.8ms

1.7ms

Hs267

59 msHs269

9.3 s

Mt266

1.7 ms

Mt268

70 ms

110267

?

110271

1.1ms

56 ms

110273

76 s

118ms

269

170 s

110

272

1.5 ms

111

112277

194s

277s

RfRuther-fordium

DbDubnium

SgSeaborgium

BhBohrium

HsHassium

MtMeitnerium

112

105105

106106

107107

110110

109109

108108

112112

111111

150150 152152 154154 156156 158158

160160

162162

164164

NN

-Zerfall-Zerfall SpontanspaltungSpontanspaltung EC-ZerfallEC-Zerfall

Hs277

sf10min

281

1 min

285

10 min

112

110

289

20 s

114287

5 s

114

283

sf 3 min

112

114114114

116

166166 168168

170170 172172

ZZ

116116

174174

284

10 s

112

2 s

114288

280

sf 7 s

110

Bh266

1s

Bh267

17 s

292

33 ms

116

Hs266

2.3 ms

Sg262

sf6.9 ms

110270

0.1ms

6 ms

23 s 6.1 s

Darmstadtium (Ds)Darmstadtium (Ds)

Problem der Dubna Resultate:- Zerfälle enden oft nicht in bekannten Isotopen- Zerfallsketten sind oft sehr kurz- Korrelationszeiten sind sehr lang

Z=113 am RIKEN (Japan) nach kalterFusion eindeutig nachgewiesen... in einer dreimonatigen Strahlzeit!

283113 284113282113

286114

288115287115

290116 291116 293116

Neue Elemente/Isotope seit 2001(nicht nach Zerfallsart klassifiziert)

294118118118

115115

113113 176176

Roentgenium (Rg)Roentgenium (Rg)282112

278113

274Rg 278Rg 279Rg 280Rg

270Mt 276Mt275Mt274Mt

270Hs 271Hs275Hs

270Bh 271Bh 272Bh

267Sg 271Sg

266Db 268Db267Db259Db

263Rf 267Rf

heisseFusion

279Ds

... wie geht‘s weiter????

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!

R. Smolanczuk

Schön, wenn es wahr wäre!!!

ABER: Modell ist sehr vereinfachend!!!

... durchaus fragwürdige Vorhersagen

Das Berkeley Experiment zu Das Berkeley Experiment zu Z=118Z=118

BerkeleyGasfilledSeparator

EPJ A 14, 147 (2002)

Ergo: Fälschungen werden im Allgemeinen gefunden und lohnen daher nicht!!!!