1 / 48

MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne

MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne. 15.4. Einführung, Produktion exotischer Kerne – I 29.4. Produktion exotischer Kerne – II 6.5. Alpha-Zerfall, Zweiprotonen-Radioaktivität, Kernspaltung 13.5. Beta-Zerfall ins Kontinuum und in gebundene Zustände

nibaw
Download Presentation

MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MP-41 Teil 2: Physik exotischer Kerne • 15.4. Einführung, Produktion exotischer Kerne – I • 29.4. Produktion exotischer Kerne – II • 6.5. Alpha-Zerfall, Zweiprotonen-Radioaktivität, Kernspaltung • 13.5. Beta-Zerfall ins Kontinuum und in gebundene Zustände • 20.5. Exkursion zum Radioteleskop in Effelsberg • 27.5. Halo-Kerne • 3.6. Tutorium-1 • 10.6. Kernspektroskopie und Nachweisgeräte • 17.6. Anwendungen exotischer Kerne • 24.6. Tutorium-2 • 1.7. Schalenstruktur fernab der Stabilität • 8.7. Tutorium-3 • 15.7. Klausur

  2. Die NuklidkarteSpiegelkerne und das nukleare Schalenmodell 70 40

  3. Schalenstruktur fernab der Stabilität • Einleitung • Schalenstruktur superschwerer Kerne • Kernstruktur von Transfermium Elemente (250Fm, 254No) • deformiertes Schalenmodell • Nukleares Schalenmodell • klassische Anomalien: 11Be, 11Li • exp. Ergebnisse des Deuterons • Monopolwechselwirkung der Tensorkraft • Kerne um N=20: 40Ca, 38Ar, 36S, 34Si, 32Mg, 30Ne • Kerne um N=28: 48Ca, 46Ar, 44S • Zusammenfassung und Ausblick

  4. Spektroskopie von Transfermium Kernen (Z=100-103)Super – Heavy Elements

  5. Nukleare SchalenstrukturWo ist der nächste Schalenabschluss ? Die Deformation des Kerns verändert die Reihenfolge der Einteilchenzustände ( Nilsson Modell )

  6. Deformiertes Schalenmodell • Nilsson-Modell • deformiertes Oszillatorpotenzial • axiale Symmetrie um z-Achse • → Kerne können rotieren Hamiltonian Deformationsparameter δ • Trennung von Laborsystem und körperfestes (intrinsisches) System • K = Projektion des Einteilchen- Drehimpulses auf die Symmetrieachse • Rotation senkrecht zur Symmetrieachse ändert nicht die K-Quantenzahl Hdef Schalenmodell mit H.O.Potential

  7. Deformiertes Schalenmodell Orbital 1 ist näher am Schwerpunkt als Orbital 2. Die Energie von Orbital 1 ist am niedrigsten. • Nilsson-Modell • deformiertes Oszillatorpotenzial • axiale Symmetrie um z-Achse • → Kerne können rotieren Hamiltonian Deformationsparameter δ Hdef Schalenmodell mit H.O.Potential

  8. Deformiertes Schalenmodell Orbital 1 ist näher am Schwerpunkt als Orbital 2. Die Energie von Orbital 1 ist am niedrigsten. • Nilsson-Modell • deformiertes Oszillatorpotenzial • axiale Symmetrie um z-Achse • → Kerne können rotieren Intruder Orbital wird soweit angehoben oder abgesenkt, dass es Orbitale aus einer anderen Schale entgegengesetzter Parität kreuzt

  9. Deformiertes Schalenmodell Welche Struktur haben die SHE ? (indirekter Versuch) Deformierte Schalenabschlüsse für Transfermium Elemente 254No152β2~0.28 Oblate Prolate

  10. Stabilität der schweren Elemente 254No (Z=102) und 252Fm (Z=100) mit N=152 scheinen stabiler zu sein als ihre Nachbarn

  11. Woods-Saxon Niveaus Exp. Ergebnisse: Anregung von isomeren Zuständen Yrast – plot ( 254No) 254No mit Z=102 und N=152 – Protonen werden leicht angeregt 250Fm mit Z=100 und N=150 – Neutronen werden leicht angeregt

  12. Die magischen Zahlen nahe den stabilen Kernen Maria Goeppert-Mayer (1906-1972) Hans Jensen (1907-1973) Magische Zahlen mit konstanten Schalenabschlüssen sind nicht so robust, wie wir dachten.

  13. Nukleare SchalenstrukturExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen Kerne mit magischen Zahlen für Neutronen / Protonen: hohe Energien der 21+ Zustände kleine B(E2; 21+→0+) Werte Übergangswahrscheinlichkeiten werden in Weisskopf Einheiten (spu) gemessen Was passiert weitab des Tals der Stabilität?

  14. Extremes Einteilchen-Schalenmodell Energie des Schalenabschlusses: pos. Parität Gute Voraussage von Spin Parität π = (-1)ℓ magnetisches Moment neg. Parität Neutron Proton

  15. Einteilchen-Energien 8 2 17O: 1/2 - Zustand schon bei 3.1 MeV Restwechselwirkung wird benötigt, verringert Abstand zwischen Schalen Einteilchen Zustände beobachtet in ungerade-A Kernen(besonders ein Nukleon + doppelt magischer Kern wie 4He, 16O, 40Ca) sind charakterisiert durch die Einteilchen-Energien des Schalenmodellbilds.

  16. Klassisches Beispiel einer Anomalie Mehrere Anomalien wurden in Schalenstrukturen von exotischen Kernen beobachtet: protonenreich oder neutronenreich erwartet ! Das 2s1/2 Orbital (Parität +) und das 1p1/2 Orbital (Parität -) sind invertiert ?? (parity inversion)

  17. Bildung von Halos und das s-Orbital Die s Komponente im Grundzustand ist essenziell für die Ausbildung einer Halostruktur. Schrödinger Gleichung: Zentrifugalbarriere ( ℓ = 0 für s-Welle ) Neutronenreiche Kerne (11Be, 11Li) → instabil: flaches Kernpotential → die Wellenfunktion ist ausgedehnt → für s-Orbitale, die radiale Ausdehnung ist nicht blockiert durch die Zentrifugalbarriere ( Halo )

  18. Halo-Kerne Anomalien der Schalenstruktur wurden zuerst beobachtet in 11Be(Z=4, N=7) und 11Li(Z=3, N=8) , die bekannt sind als ein-Neutron Halo und zwei-Neutron Halo-Kerne.

  19. Änderung der magischen Zahl nahe N=8; 12Be Ändert sich die magische Zahl nur bei Halo Kernen ? Nein! Gilt auch für12Be. Diese Beobachtung weist auf eine universelle Evolution der Schalenstruktur.

  20. Theoretische Erklärung Die spezifische Proton-Neutron Wechselwirkung ( Monopolterm der Tensor-Kraft ) kann die Einteilchen-Anordnung verändern, abhängig von dem Proton-Neutron Verhältnis der Kerne. Die stark attraktive p-n Kraft zwischen J> and J< Orbitalen ( zum Beispiel, π p3/2 and ν p1/2 )

  21. Deuteron: Spin und Parität Der gemessene Kernspin des Deuterons ist J=1 Experiment ! Parität des Deuterons: Eigenschaften der emittierten Gammastrahlung beim Neutroneneinfang am Proton ergibt, dass die Parität des Deuterons positiv (π = +1) ist. Aus den Eigenschaften der Kugelflächenfunktionen ergibt sich die Parität zu (-1)ℓ = +1 woraus folgt, dass nur gerade Bahndrehimpulse von ℓ = 0 und ℓ = 2 vorkommen können. Experiment ! Mögliche Kombinationen der Spins und des relativen Bahndrehimpulses: Die Kernkraft ist spinabhängig !

  22. Deuteron: Magnetisches Moment • Der gemesseneKernspindes Deuterons istJ = 1 • DieParität des Deuterons istpositiv, nur geradeBahndrehimpulse ℓ = 0undℓ = 2. • Das magnetische Moment des Deuterons, welches sich z.B. durch Kernspinresonanz (NMR) bestimmen läßt, • ergibt sich zu: Der gyromagnetische Faktor g stellt die Proportionalitätskonstante zwischen dem magnetischen Moment eines Teilchens und dem Spin dar (im Falle des Drehimpulses g = 1): Mit dem Spin-Operator und dem Kern-Magneton Für ein punktförmiges Proton (s=1/2) erwartet man g = 2. Die innere Struktur von Proton (uud) und Neutron (udd) zeigt sich in den experimentellen Werten gsproton = 5.5857, gsneutron = -3.8261 Bei einer parallelen Ausrichtung der Nukleonenspins S = 1 und einem angenommenen Bahndrehimpuls von ℓ = 0 bzw. ℓ = 2 ergibt die Summe der magnetischen Momente von Proton und Neutron Die Wellenfunktion des Deuterons besteht zu 96% aus einem ℓ = 0 Zustand und 4% aus einem ℓ = 2 Zustand

  23. Deuteron: Quadrupolmoment • Der gemesseneKernspindes Deuterons istJ = 1 • DieParität des Deuterons istpositiv, nur geradeBahndrehimpulse ℓ = 0undℓ = 2. • Das magnetische Moment des Deuterons ergibt sich zu Der Bahndrehimpuls hat zu 4% den Wert ℓ = 2 • Das Deuteron ist nicht sphärisch. • Es hat ein experimentell bestimmtes Quadrupolmoment von Q = 0.00282 eb. Das freie Neutron und das freie Proton haben kein elektrisches Quadrupolmoment. Das Deuteron kann nur aufgrund der Bahnbewegung ℓ = 2 von Proton und Neutron ein Quadrupolmoment besitzen. Eine reine ℓ = 0 Wellenfunktion hat aufgrund ihrer Rotationssymmetrie ein verschwindendes Quadrupolmoment. Die Kernkraft ist spinabhängig ! Die Kernkräfte müssen ein Drehmoment aufbringen, das vom Radiusr und dem Winkelθ abhängt. Wenn die Kernkraft von r und θ abhängt, gibt es eine nicht-zentrale Kraftkomponente eine Tensorkraft

  24. Nukleon-Nukleon Potentials abstoßender Teil ω (3π) - Austausch Alle Beiträge der N-N Wechselwirkung basieren auf dem Meson Austausch Mechanismus langreichweitiger Teil 1π – Austausch konstanter Abstand zwischen Nukleonen ~ 1fm → konstante Kerndichte 1π – Austausch ~ Tensor Kraft (r,θ) Potenzialmulde durch σ – Austausch ( 2π zu Spin 0 gekoppelt) m(π) ≈ 140 MeV/c2 m(σ) ≈ 500-600 MeV/c2 m(ω) ≈ 784 MeV/c2 Yukawa Potential:

  25. Effektive Einteilchen Energieeffective single-particle energy ESPE ESPE is changed by Nvm Monopole interaction, vm N particles ESPE : Total effect on single-particle energies due to interaction with other valence nucleons

  26. Anschauliches Bild des Monopoleffekts der TensorkraftNukleon-Nukleon Restwechselwirkung wave function of relative motion spin of nucleon large relative momentum small relative momentum attractive repulsive Monopolenergie der Tensor-Wechselwirkung: T. Otsuka et al., Phys. Rev. Lett. 95, 232502 (2005), Phys. Rev. Lett. 97, 162501 (2006)

  27. Anschauliches Bild des Monopoleffekts der TensorkraftNukleon-Nukleon Restwechselwirkung j'< j'< j'> j'> j< j< j> j> proton neutron proton neutron Das Beispiel zeigt die Protonenkonfiguration (0p3/2) von 14C8. Je mehr Protonen im 0p3/2 Orbital sind, um so mehr wird das 0p1/2 Neutronenorbital angezogen und der Schalenabschluss bei N=8 entwickelt sich. Für 12Be8wird das Protonenorbital 0p3/2 geleert, die Wechselwirkung ist geringer und das Neutronenorbital 0p1/2 wird angehoben. T. Otsuka et al., Phys. Rev. Lett. 95, 232502 (2005), Phys. Rev. Lett. 97, 162501 (2006)

  28. Anschauliches Bild des Monopoleffekts der TensorkraftNukleon-Nukleon Restwechselwirkung Das Beispiel zeigt die Protonenkonfiguration (0p3/2) von 14C8. Je mehr Protonen im 0p3/2 Orbital sind, um so mehr wird das 0p1/2 Neutronenorbital angezogen und der Schalenabschluss bei N=8 entwickelt sich. Für 12Be8wird das Protonenorbital 0p3/2 geleert, die Wechselwirkung ist geringer und das Neutronenorbital 0p1/2 wird angehoben. T. Otsuka et al., Phys. Rev. Lett. 95, 232502 (2005), Phys. Rev. Lett. 97, 162501 (2006)

  29. Der Effekt der Tensorkraft auf die ℓs-Kopplung The tensor force reduces the ℓs-splitting The tensor force does not act

  30. Michimasa et al. (from NPA 787 (2007) 569) 5 MeV 3/2+ 23F 5/2+ 17F Bohr & Mottelson vol. 1

  31. Anwendung auf andere Schalen low-lying 2+

  32. Nukleare SchalenstrukturExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 N=28 N=20 Z=20 42Ca 44Ca 46Ca 48Ca 40Ca Z=18 46Ar 38Ar E(2+) [MeV] Z=16 36S 44S Z=14 42Si 34Si 12 16 20 24 N Z=12 32Mg 40Mg Z=10 30Ne 38Ne N=20 Hinweise auf das nukleare Schalenmodell: hohe Energien der 21+ Zustände für Kerne mit magischen Zahlen

  33. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 N=20 d3/2 s1/2 d5/2 p n

  34. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 N=20 d3/2 s1/2 d5/2 p n

  35. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 N=20 d3/2 s1/2 d5/2 p n

  36. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 N=20 ( j< ) d3/2 s1/2 ( j> ) d5/2 p n

  37. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 N=20 d3/2 ( j< ) s1/2 ( j> ) d5/2 p n

  38. Monopol-Wechselwirkung der TensorkraftExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 E(2+) [MeV] 12 16 20 24 N N=20 f7/2 d3/2 N=20 ( j< ) s1/2 ( j> ) d5/2 p n

  39. Nukleare SchalenstrukturExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 Die Schalenstruktur wird durch die attraktive p-n Kraft zwischen J> and J< Orbitalen ( π d5/2 and ν d3/2 ) stark beeinflußt.

  40. Nukleare SchalenstrukturExperimentelle Hinweise auf die magischen Zahlen N=20 N=28 Z=20 42Ca 44Ca 46Ca 48Ca 40Ca Z=18 46Ar 38Ar Z=16 36S 44S Z=14 42Si 34Si Z=12 32Mg 40Mg Z=10 30Ne 38Ne N=28 spherical Ca S Si deformed Nukleare Feldtheorie: Nukleare Vielteilchenproblem wird relativistisch gelöst mit der Konsequenz: attraktives Skalarfeld (S-V) repulsives Vektorfeld (S+V) Hinweis auf das nukleare Schalenmodell: hohe Energien der 21+ Zustände für Kerne mit magischen Zahlen Relativistic quasi-particle random phase approximation

  41. Nukleare SchalenstrukturGroße Ähnlichkeit zwischen den drei Zahlen des HO-Schalenmodells N=20 N=40 N=8 O. S. , MG Porquet PPNP (2008) • Gleicher Mechanismus : • kleinere 2+ Energien bei N=8, 20 and 40 • Inversion zwischen normalen und Intruder Zuständen beiN=40 • Suche nach einem (super)deformierten 0+2 Zustand in 68Ni • Prüfe die extreme Deformation von 64Cr

  42. Nukleare SchalenstrukturEntwicklung der HO-Schalenabschlüsse d5/2 N=14 s1/2 p1/2 N~8 6 p3/2 p3/2 n p Z=2 p3/2 p3/2 f7/2 N=28 N~20 f7/2 20 d3/2 d3/2 16 s1/2 s1/2 14 14 d5/2 [ ] d5/2 d5/2 d5/2 p n p n Z=14 Z=8 d5/2 d5/2 N=50 g9/2 g9/2 N~40 f5/2 40 34 p1/2 p1/2 f5/2 32 p3/2 p3/2 28 28 f7/2 f7/2 [ ] f7/2 p Small gaps p f7/2 n n Z=28 Z=20 d5/2 s1/2 8 p1/2 Role of the p p3/2- n p1/2 interaction 6 p3/2 p3/2 [ ] n p Z=6 Role of the p d5/2- n d3/2 interaction SPIN –FLIP Dl=0 INTERACTION Role of the p f7/2- n f5/2 interaction ? Large N/Z

  43. Neue magische Zahlen

  44. Zukunft: Kern- und Astrophysik

  45. Rare Isotope Beam Capabilities Worldwide

More Related