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Messung atomarer Massen

Messung atomarer Massen. Bindungsenergie von Atomkernen. Bindungsenergie: (semi-) empirische Massenformel von Bethe-Weizsäcker. B = a v A - a s A 2/3 - a c Z(Z-1)A -1/3 - a sym (A-2Z) 2 /A  a p A -3/4

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Messung atomarer Massen

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Presentation Transcript

  1. Messung atomarer Massen

  2. Bindungsenergie von Atomkernen

  3. Bindungsenergie: (semi-) empirische Massenformel von Bethe-Weizsäcker B = av A - as A2/3 - ac Z(Z-1)A-1/3 - asym (A-2Z)2/A  ap A-3/4 Volumen Oberfläche Coulomb Symmetrie Paarung

  4. Bindungsenergien für A=125 und A=128

  5. Nuklidkarte

  6. Messung von Atommassen mit Massenspektrometer Impulsanalysator (Dipolmagnet): mv = q B r r = mv/qB Geschwindigkeitsfilter: qE = q v B v = E/B Für gleiche Magnetfelder in Filter und Dipol gilt: m = qrB2/E

  7. Dublett Methode Hochauflösende Spektroskopie durch Eichung des Spektrometers mit nahe beieinander liegenden Massen Einheiten: M(12C) = 12 amu 1 amu = 931,5 MeV/c2 M(1H) = 1.007825 amu Beispiel 1: Bestimmung der Masse von 14N Gemessen wird Massenunterschied von (12C)2(1H)4 und (14N)2: A1 = 12  2 amu + 4  1.007825 amu A2 = 2 M(14N) A1-A2= 0.02515 amu M(14N) = 14.00307 amu Beispiel 2: Relative Häufigkeit der Krypton-Isotope

  8. Messung der Masse kurzlebiger Isotope Penning Falle: Ionen fast in Ruhe Speicherring der GSI: Relativistische Teilchen Ionen werden durch Überlagerung eines starken Magnetfeldes (1 T) und eines elektrostatischen Feldes (10-50 V) gefangen.

  9. PRINCIPLE OF MASS MEASUREMENTS IN PENNING TRAPS Confinement of ions in a strong magnetic field of known strength B Mass measurement via determination of cyclotron frequency nc = (q/m)(B/2p) from characteristic motion of stored ions Example:B = 6 T, A = 100nc = 1 MHz Tobs = 1 s Dnc= 1 Hz R = 106 ION SOURCE: stable isotopesradioactive isotopeshighly charged ionsantiprotons

  10. z:axial () Die Penningfalle und ihre Frequenzen Geladenes Teilchen im Magnetfeld qvB = mv2/r Umlauffrequenz (Zyklotronfrequenz) c = v/r = q/mB +=c/2 + [(c/2)2 - z2/2]1/2 -=c/2 - [(c/2)2 - z2/2]1/2 z = [q U0/(md2)]1/2 mit 4d2 = (2z02+ 02) -: Magnetronfrequenz +:reduzierte Zyklotronfrequenz c =++ -

  11. Das ISOLTRAP Massenspektrometer an ISOLDE (CERN)

  12. Messung der Zyklotronresonanzfrequenz über die Flugzeit Genauigkeit der Massenmessung mit Penningfallen: Δm/m = 10-8

  13. Messung von Kernmassen mit dem Speicherring der GSI Teilchen auf Sollbahn: Länge L0, Impuls p0, Geschwindigkeit v0 Umlauffrequenz f0 = v0/L0 Frequenzänderung: df = δf/δp  dp + δf/δ(m/p)  d(m/q) oder Δf/f = Δv/v (1 - 2/t2) – Δ(m/q)/(m/q)/ t2 mit 1/t2 = (δL/L)/(δp/p) = (δL/L)/[δ(m/q)/(m/q)]

  14. Schottky Massenmessung T1/2 > 10 s • Kühlung der Ionen durch • Elektronen: • Δv = 0 • Umlauffrequenz: •  unabhängig von v • abhängig von m/q • Messung: Schottky-Pickup • Flug durch Plattenkondensator • Frequenzanalyse des Rauschens • Frequenzspektrum

  15. Elektronenkühlung im Speicherring

  16. Isochroner Modus T1/2 > 10-6 s • Betrieb des Rings bei t =  • Schnellere Ionen auf längeren Bahnen • Umlauffrequenz: •  unabhängig von v • abhängig von m/q Massenbestimmung: Messung der Flugzeit

  17. Ionen-Speicher-Kühlerring in Verbindung mit Fragmentseparator: Präzise und effektive Bestimmung der Massen unstabiler Kerne mit Schottky Massenspektroskopie: T1/2 > 10 s oder Isochron-Methode:T1/2 > 1μs Massenauflösung Δm/m 10-7 Messung des β-Zerfalls hochgeladener Ionen (stellare Plasmen) Bestimmung der Massen und Lebensdauern von Kernen weitab der Stabilität Sensitivität der Methode: ein einzelnes gespeichertes Ion

  18. Krebsnebel Supernova beobachtet 1054 Der Ursprung der Elemente Nukleosynthese nach dem Urknall Kernfusion in Sternen Neutroneneinfang in Roten Riesensternen oder Supernovae

  19. Geburt und Tod der Sterne Zwiebelschalenstruktur kurz vor Explosion 8M M  15M Supernova II 1.4M Mcore 2M Neutronen Stern M 15M Supernova IIa M  2M Schwarzes Loch M  8M Roten Riese Weiβer Zwerg

  20. Fusion in Sternen Der Ursprung der Elemente number of protons Nucleosynthese in Supernova-Explosionen: Schneller Neutroneneinfang durch instabile (neutronenreiche) Isotope number of neutrons

  21. Zwei moderne Methoden zur Erzeugung und Untersuchung seltener Isotope Gestoppte und wiederbeschleunigte Ionen „Ionen Separation Online (ISOL): Fragmentation „im Fluge“ (IF): Relativistische Schwerionenstrahlen Intensive Protonenstrahlen Heisses, dickes Target: Targetfragmentation Dünnes Target: Projektilfragmentation Ionenquelle ms - s Fragmentseparator Massenseparator geringer Auflösung s Ionenkühlung Speicherring Ionenfallen

  22. Reaktionsmechanismen für radiaktive Strahlen Protonen-indizierte Reaktionen Schwerionen-induzierte Reaktionen

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