Wir sind alle Sternenstaub - Die Entstehung der Elemente

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Wir sind alle Sternenstaub - Die Entstehung der Elemente
Dr. B. Pfeiffer
AAG Mainz
"If our inconceivably ancient Universe even had any beginning, the conditions determining that
beginning must even now be engraved in the atomic weights."
Theodore W. Richards, "Atomic weights" Nobel lecture, December 6, 1919
• Einführung: Was verstehen wir unter Elemente
• Vom antiken Begriff und seiner Aktualität
• Außerirdische Materie und
Energiequellen der Sterne:
Entwicklungen vor 1950
• Nukleosynthese
• im Big Bang
• in Sternen
• Fusionsreaktionen geladener
Teilchen
• Neutroneneinfangsreaktionen
• Galaktische chemische Entwicklung
• Verteilung der Elemente
• Außerirdisches Leben?
Praesolares SiC-Staubkorn
Vortrag in der VHS-Volkssternwarte Mainz am 21.05.2002
"Die Erde im Weltraum, Astronomie-Geschichte und mehr - Besondere astronomische Themen"
1
Begriffsbestimmung vorweg
Das Wort Element(e) bezeichnet in der Sprache eine Vielzahl von Bedeutungen. Heute soll daraus
nur ein kleiner Ausschnitt behandelt werden.
Man spricht z.B. vom "Wüten der Elemente" bei Naturkatastrophen, denen der Mensch hilflos ausgeliefert ist. Dies ist nicht das Thema dieses Abends, doch reichen diese Begriffe weit in die
Vergangenheit zurück, u.a. zu den alten Griechen, wo sich doch ein Ansatzpunkt (und Bezüge zur
Astrologie/Astronomie) ergibt.
Element/elementar steht für die Zurückführung komplexer Gegebenheiten auf Grundbegriffe,
wie etwa Euklids Elemente, in denen die Mathematik aus Grundbegriffen (Axiomen) aufgebaut wird.
Inhaltlich näher zum heutigen Abend ist folgende Definition:
Als Elemente sollen die Körper bezeichnet werden, in die die
anderen Körper zerlegt werden, und die in ihnen der Möglichkeit nach oder der Wirklickeit nach vorliegen.
Selbst ist aber ein Element in anderes der Art nach nicht zu
zerlegen.
Über den Himmel, Aristoteles
Der heutige Abend wird sich mit den etwa 100 chemischen Elementen befassen, aus denen
sich alle Stoffe unserer Umwelt (inklusive uns Menschen) zusammensetzen.
Allerdings werde ich nicht über die chemischen Eigenschaften der Elemente sprechen
(darin fühle ich mich auch nicht besonders kompetent), sondern über die Prozesse, die zur
Entstehung der Elemente führten und noch führen.
Und da fast alle Elemente in Sternen entstehen, werden Sie verstehen, weshalb dieser
Vortrag im Rahmen des Astronomie-Kurses der VHS gehalten wird.
2
Vier-Elemente-Lehre und Astronomie
Schon immer versuchen die Menschen, die komplexe Umwelt verständlich zu machen, indem sie
die vielfältigen Erscheinungen auf möglichst wenige Grundbegriffe zurückführen.
Im 5. Jahrhundert v.Chr. stellte Empedokles von Agrigent eine Theorie über die Zusammensetzung der Materie auf, die bis heute nachwirkt:
Danach besteht alles aus der Mischung von lediglich vier Urstoffen/-kräften:
Feuer,
Wasser,
Luft,
Erde
Quintessenz .
Zentral für physikalisches Weltbild der Antike (Aristoteles) [bis in Neuzeit]:
Erde (bestehend aus Wasser und Erde) als schwerer Körper mit Tendenz nach unten zu fallen
muss im Zentrum des Universums sein. Die Himmelskörper (Planetengötter) dagegen bestehen
aus Quintessenz: Geozentrisches Weltbild
Anmerkung:
Das Ptolemäische, Kopernikanische, Tychonische System galten primär nicht als Beschreibung
der physikalischen Realität sondern als rein mathematische Rechenanleitungen zur Bestimmung
der Position der Himmelskörper. Wer diesen Unterschied beachtete, hatte meist auch Ruhe
vor der Inquisition!
Galileo hingegen hatte im "Il saggiatore" (1623) an den antiken Atomismus angeknüpft, der im
Widerspruch zur Aristotelischen Elementlehre steht, die Thomas von Aquin zur Begründung der
Transsubstantiationslehre der Eucharistie gedient hatte.
3
Dies war ein Glaubenssatz, also Scheiterhaufen!
Die Platonischen Körper
Plato (427-347) und seine Schule waren geradezu beseelt, ja besessen von der Idee, dass alles
einer Ordnung und einem höheren Gesetz unterliege und nichts in der Natur dem Zufall überlassen sei.
Nachdem Platos Freund Theaitetos (416-369) bewiesen hatte, dass es nur 5 regelmässige Körper
gibt, verknüpfte Plato im Timaios die Vier-Elemente-Lehre das Empedokles (490-430) mit
Demokritos (460-370) Atomlehre. Im Gegensatz zu Demokritos sah er in den Atomen nicht kleine
materielle Körper, sondern geometrische Figuren/Prinzipien.
Feuer und Wasser und Erde und Luft, so behaupten sie (Anaxagoras, Leukippos, Demokritos),
hätten ihren Ursprung in der Natur und im Zufall, und keines davon in der Kunst. Und die
späteren Weltkörper, die Sonne, der Mond und die Sterne seien aus diesen ersten, völlig
seelenlosen Elementen entstanden ...
... daher kommt es, dass die jungen Leute auf gottlose Handlungen verfallen, da es ja keine
Götter von der Beschaffenheit gäbe, wie man sie sich nach der Vorschrift der Gesetze zu
denken hat. ...
... wer sich aber den Gesetzen nicht im Gehorsam unterzieht, der müsse entweder mit dem Tode
oder mit Schlägen und Gefängnis oder mit Entzug der bürgerlichen Ehren oder mit Vermögensverlust und Verbannung bestraft werden ...
... Nun es verhält sich gerade umgekehrt wie jene Leute sagen, die darüber nachdachten und
sich die Gestirne als unbeseelte Wesen vorstellten. ... Die Gestirne, wenn sie unbeseelt wären,
künnten sich niemals nach diesen in ihrer Genauigkeit so bewundernswerten Berechnungen
4
bewegen, weil sie ja keine Einsicht besäßen.
Plato, Gesetze 12, 889-966
Die Platonischen Körper
Feuer
Erde
Luft
Wasser
Weltall
Anmerkung:
Platon wählte den Dodekaeder als Verkörperung des Weltalls, da man den 12 Flächen die
12 Tierkreiszeichen zuordnete. Auch hier findet man neben den 4 Elementen ein fünftes Prinzip,
das (ähnlich der Quintessenz/Äther) die vier anderen umfassst.
In seinem Frühwerk Mysterium Cosmographicum (1596) schachtelte
J. Kepler die 5 Platonischen Körper ineinander um die Bahnen der
Planeten zu erklären.
Diesen "mystischen", antiken Ansichten blieb Kepler treu. So findet sich
das "Dritte Keplersche Gesetz" in Harmonici Mundi (1619), in dem er die
Planetenbahnen im Gefolge Pythagoras aus
"musikalischen Harmonien" herleitet
5
Vier-Elemente-Lehre in der Astrologie
Im Mittelalter wurden die 12 Tierkreiszeichen den 12 Aposteln zugeordnet, und schon konnten die
alten astrologischen Vorstellungen unter christlichem Deckmantel fortbestehen.
Jesus inmitten der vier Elemente. Seine Haltung zeigt die
magische Geste "Wie oben, so unten". Er steht auf der Erde, in
der sich die Elemente physisch manifestieren.
Miniatur aus Bartholomaeus Anglicus:
De proprietatibus rerum, 15 Jh.
Oder ist dies nicht eher Ptolemæus, der Autor des
"Apotelesmatika", bekannt als Tetrabiblos?
Auffällig sind die Dreier-Gruppen beim Abendmahlsbild
da Vincis. Sie entsprechen dem astrologischen Brauch,
je drei Tierkreiszeichen den Elementen
Luft, Feuer, Erde, Wasser zuzuordnen
(Trigone). Sie bestimmten z.Bsp.
Weltuntergangsszenarien bei den
Grossen Konjunktionen.
6
Vier-Elemente-Lehre in der Medizin
Polybos (Schwiegersohn des Hippokrates) erklärte nach diesem
Muster Krankheiten als schlechte Mischung oder Stauung von
vier Körpersäften. Galenos (129 bis 199 n.Chr.) wandte diese
Lehre dann auch auf seelische Vorgänge an (siehe linkes Bild).
Wann Behandlung z.Bsp. durch Aderlass erfolgte, wurde nach
der Stellung des Mondes zu den Tierkreiszeichen bestimmt:
Aderlasskalender für 1457 von Johannes Gutenberg
Das Weltall aus dem Scivias-Kodex (um 1149).
Die vier Elemente greifen im innersten Kern des Weltalls ineinander über.
Sehr aktuell: Hildegard-Medizin
7
Die Entwicklung des modernen Elementbegriffs
Beginn der modernen Atomlehre
Die Vier-Elemente-Lehre bildete auch die Grundlage der Alchimie. Bei
dem Bemühen um den "Stein der Weisen" entwickelten die Alchemisten
viele der noch heute gebräuchlichen chemischen Analyse- und Syntheseverfahren. Dabei mussten sie feststellen, dass es mehr Grundstoffe gibt.
Bis Ende des 17. Jahrhunderts hatten sie deren 15 gefunden.
Im Verlauf des 18. Jahrhunderts vollzog sich langsam die Loslösung der (Labor-)Chemie von der
Alchemie (die immer die Einheit von hermetischer Philosophie und Laborarbeit gefordert hatte),
wobei auch der Elementbegriff herausgearbeitet wurde. Als Begin der modernen Chemie gilt
R. Boyles The Sceptical Chemist (1661), indem er keinen experimentellen Beweis für die
Vier-Elementen-Lehre findet.
Bemerkenswert ist, dass sich die Elemente nur in bestimmten Verhältnissen, die ganzen Zahlen
entsprechen, miteinander zu Molekülen verbinden [J.L. Proust (1794), J. Dalton (1804)].
Dies erklärte John Dalton damit, dass die Elemente aus nicht mehr teilbaren, kleinsten Einheiten
bestehen, die er nach Demokrit Atome nannte [A New System of Chemical Philosophy (1808)].
Physiker griffen diese Idee dann zur Beschreibung von Gasen auf. Die unvorstellbar große Zahl von
Gasteilchen erforderte darüberhinaus die Einführung abstrakter statistischer Beschreibungen. Nicht
verwunderlich, dass im 19. Jahrhundert die Atomlehre bei vielen Wissenschaftlern auf entschiedene
Ablehnung stiess (Ein Opfer wurden Gregor Mendel und seine Erbgesetze, die von Anhängern der
"Vis Vitalis" als "atomistisch" verworfen wurden.)
Den endgültigen Durchbruch erbrachte erst A. Einsteins Artikel von 1905 über die Brownsche Molekularbewegung: Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in
8
ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen
Annalen der Physik und Chemie, IV. Folge, Band 17 (1905) 549-560
Die Entwicklung des modernen Elementbegriffs
Periodisches System der Elemente
Bis Mitte des 19. Jahrhunderts war dank eines neuen, physikalischen Analyseprinzips (das ich in
wenigen Minuten bei der Anwendung in der Astronomie vorstellen werde) die Zahl der Elemente auf
etwa 60 angewachsen und ein Ordnungsprinzip war erforderlich:
Es wurde 1868/9 unabhängig von D.I. Mendeleev
und L. Meyer (aufbauend auf Prousts und Daltons
Abeiten) vorgeschlagen.
Mendeleevs Gesetz der Periodizität:
"Die Eigenschaften der Elemente sind eine
periodische Funktion ihrer Atomgewichte."
Die erfolgreiche Vorhersage der Eigenschaften
fehlender Elemente führte zur Anerkennung
dieses Systems. Kein Platz fand sich darin für
das von Astronomen auf der Sonne postulierte
neue Element Helium.
Bezüge zur Astronomie: 1789 gewann Martin Klaproth ein neues Element aus Pechblende mit hohem Atomgewicht. Er benannte es nach dem 1781 von Herschel entdeckten entferntesten Planeten
Uranus. Auch die Entdeckung der ersten (Klein-)Planeten Ceres und Pallas wurde von Chemikern
durch die Elemente Cerium und Palladium gewürdigt.
Als dann vor 60 Jahren die ersten Transuran-Elemente synthetisiert wurden, erhielten sie die Namen
der auf Uranus folgenden Planeten: Neptunium und Plutonium
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Die Entwicklung des modernen Elementbegriffs
Zusammenfassung der Elemente
Die heutige Version der Mendeleev-Karte beruht auf den quantenmechanischen Eigenschaften der
Atomhüllen. Erst die Quantentheorie erklärte gewisse "Sonderheiten" wie die Anordnung der SelteNen Erden (und der Aktiniden). Die Gruppe der Edelgase (rechte Spalte) konnte nicht auf Grund
ihrer Verbindungen mit anderen Elementen eingeordnet werden, sie gehen keine ein!
Die Quantentheorie stellt auch sicher,
dass dieses Schema "vollständig" ist.
Man kann z.Bsp. keine Elemente in
Die "Lücke" zwischen H und He in
der ersten Reihe einfügen, wie einst
Astronomen nach Messungen von
Spektrallinien im Orion-Nebel vorschlugen: Nebulium.
Nachdem die Kernchemiker/-physiker vor etwa 60 Jahren die letzten Lücken geschlossen hatten
(Tc 1937 und Pm 1945), erzeugten sie künstlich neue, oft sehr kurzlebige Elemente. [Sie kommen
auch in der Natur vor, sie entstehen bei Sternexplosionen. Im Sonnensystem sind sie jedoch schon
zerfallen.]
Ob, und wieviele weitere Elemente mit welchen chemischen Eigenschaften noch
synthetisiert werden können, ist Gegenstand intensiver Arbeiten, z.Bsp. auch an der GSI bei 10
Darmstadt.
Mendeleev-Karte
11
Die Entstehung des modernen Elementbegriffs
Die Zusammensetzung des Atomkerns
Ein Problem bestand weiter. Schon 1815 hatte W. Prout
vermutet, dass die Atomgewichte Vielfache der Masse des
Wasserstoffatoms seien. Um 1920 fand F.W. Aston, dass
manche Elemente ein Gemisch verschieden schwerer Atome
darstellen, wobei die einzelnen Spezies, Isotope genannt, tatsächlich mit guter Näherung Vielfache des H-Atoms sind. 1932 entdeckte dann J. Chadwick ein instabiles Elementarteilchen, das
etwas schwerer als ein Proton ist, jedoch keine elektrische Ladung
hat: das Neutron.
Atomkerne setzen sich aus Protonen und Neutronen zusammen.
Die Anzahl der Protonen Z entspricht der Stellung des Elementes
im Periodischen System der Elemente. Eine gleiche Zahl negativ
geladener Elektronen umkreist diesen Kern, sodass das Atom als
Ganzes elektrisch neutral ist. Die Anzahl N der Neutronen im Kern
kann variieren und führt zu den Isotopen eines Elementes, die im
wesentlichen gleiche chemische Eigenschaften haben.
Neben den etwa 300 stabilen Isotopen gibt es noch etwa 8000
radioaktive Isotope, deren Lebensdauern von Weltaltern bis
Bruchteilen von Sekunden reichen. Bei den Kernreaktionen, die
zur Bildung der Elemente führen, entstehen zumeist diese
instabilen Isotope, die dann in die stabilen übergehen.
12
Nuklidkarte
13
Woraus bestehen die Himmelskörper?
Untersuchung von Meteoriten
Die chemische Zusammensetzung einer irdischen
Probe lässt sich im Labor bestimmen. Doch aus
welchem Material bestehen die Himmelskörper?
Schon immer hatten Menschen außerirdisches
Material in den Händen:
Meteorite
z.B. Skarabäus aus "Himmelsstein" und ein
Dolch aus Meteoreisen im Grab Tut anch
Amuns,
"Schwarzer Stein" in der Kaaba in Mekka.
14
Woraus bestehen die Himmelskörper?
Untersuchung von Meteoriten
Die außerirdische Herkunft wurde von der Wissenschaft (unter dem Einfluss der Antike) bis ins
19. Jahrhundert zumeist vehement bestritten, da die Planeten (Mond, Sonne, usw.) aus
Quintessenz bestehen. (So galten Kometen, Meteore als "hochstehende Wolken".)
Durchbruch brachte erst:
Über den kosmischen Ursprung der Meteorite und Feuerkugeln
1794, Ernst Florens Friedrich Chladni (1756-1827)
und die Anerkennung des Meteoritenschauers von L'Aigle 1803 durch die Pariser Akademie.
Katastrophale Einschläge jedoch (wie von Dr. Sattelberger am 7. Mai vorgestellt) wurden von den
Geologen/Biologen im Gefolge von Lyells Uniformitarianismus (Principles of Geology, 1830) bis zur
Entdeckung der Iridiumschicht an der Kreide/Tertiär-Grenze vor etwa 20 Jahren vehement
abgelehnt (Alvarez et al., Science 208 (1980) 1095).
Anmerkung am Rande: Vorläufer der vhs-Kurse:
Chladnis Vorlesungsreihe "Über die Meteormassen, mit Vorzeigung seiner Sammlung" am
15
Physikalischen Verein, Frankfurt, 1826
Woraus bestehen die Himmelskörper?
Chemische Untersuchungen
Um 1850 wurde vor dem Gautor an der Pariser Chaussee ein
Meteorit gefunden:
Mainzer Meteorit
F. Seelheim
Untersuchung eines bei Mainz gefundenen Meteorsteins
Heft 12 der Jahrbücher des Vereins für Naturkunde im
Herzogtum Nassau, (1857) 405
Ausführlichere Informationen:
www.astro-mainz.de
Die Untersuchung von Meteoriten ist ein hochaktuelles Thema, insbesondere da in letzter Zeit einige Mars- und Mondmeteorite gefunden
wurden. (Links: Dhofar 025, Sultanat Oman)
Von Vorteil gegenüber astronomischen Methoden ist, dass im Labor
nicht nur die Elemente, sondern auch die Isotope bestimmt werden
können. Diese Informationen ermöglichen, die verschiedenen
Syntheseprozesse zu unterscheiden.
Die ganze Vielfalt der Informationen über die Verteilung und Entstehung der
Elemente eröffnen erst die modernsten physiko-chemischen Analysemethoden.
Einen Eindruck vermitteln die Tage der offenen Tür am Max-Planck-Institut für
Chemie, Mainz.
16
Kernstruktur und Kosmochemie
Fast schon bevor man wusste, dass die Atome einen Kern haben,
schloss der Chemiker Harkins 1917 von Elementhäufigkeiten in
Meteoriten auf Struktureigenschaften dieser Atomkerne:
Gerade-ungerade Effekt.
Stein-/Eisenmeteorite (wie auch die Erde) sind allerdings kein
gutes Muster für das gesamte Sonnensystem, da sie bei der
Entstehung hohen Temperaturen ausgesetzt waren. Zum einen
bevorzugt das Elemente wie O, Si, Mg, die Minerale bilden,
und zum andern haben sich viele Elemente verflüchtigt, wie
H und He, die die Hauptbestandteile sind. Die sehr seltenen
kohligen Chondrite sind besser geeignet, sie wurden nicht
aufgeschmolzen.
W.D. Harkins
THE EVOLUTION OF THE ELEMENTS AND
THE STABILITY OF COMPLEX ATOMS.
J. Am. Chem. Soc. 39 (1917) 856 - 879
17
Kernstruktur und Kosmochemie
Hier ist die 1997 bei einem Ballonflug gemessene chemische Verteilung
von Höhenstrahlung gezeigt, die den gleichen gerade-ungerade Effekt
aufweist.
18
Woraus bestehen die Himmelskörper
Kosmische Strahlung
Es gibt noch eine Möglickeit außerirdische Materie zu studieren. Seit
den Ballonflügen von V.F. Hess 1911 wissen wir, dass die obere Atmosphäre von hochenergetischen Teilchen bombardiert wird, die ihren
Ursprung in der Sonne, der Milchstrasse und, besonders interessant,
selbst in fernen Galaxien haben. Die häufigsten Teilchen sind Protonen,
doch wurden fast alle Elemente bis Blei nachgewiesen. Die Energien
sind teilweise so extrem, dass es noch keine anerkannte Theorie über
Herkunft und Beschleunigungsmechanismus gibt.
Beim Zusammenstoss mit Luftmolekülen lösen die hochenergetischen
Teilchen Strahlungsschauer aus, die bis zur Erdoberfläche gelangen.
Sie sind so ausgedehnt, dass 3000 km2 große Detektorfelder zu ihrem
Nachweis aufgebaut werden: z. Bsp. AUGER-Projekt in Argentinien
und USA.
19
Woraus bestehen die Himmelskörper
Kosmische Strahlung
Die ursprünglichen Teilchen kann man nur außerhalb der Erdatmosphäre beobachten. Auf der MIR-Raumstation flogen Glasplattenstapel, die die Zusammensetzung der Strahlung untersuchen
können (s. links). Ein weiteres Experiment ist auf der ISS-Station
vorgesehen.
In letzter Zeit konnten schwere Detektoren mit Höhenballons
geflogen werden. Weihnachten 2001 umrundete solch ein
Experiment in 31 Tagen 2 mal den Südpol in 38 km Höhe. Flugzeiten
von mehreren Monaten werden angestrebt und sind eine Alternative
zu extrem teuren Satelliten.
Auf der ISS soll ein grosser Detektor installiert werden, der insbesondere nach Anti-Materie
in der kosmischen Strahlung suchen soll. Bis jetzt sieht es allerdings so aus, als ob im
Raumbereich aus dem die Strahlung kommt (einige Hundert Millionen Lichtjahre) nur Materie
vorhanden ist.
Der geringe Anteil an Anti-Materie wird bei Stössen der hochenergetischen Strahlung mit
Gas- und Staubteilchen gebildet.
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Woraus bestehen die Himmelskörper?
Spektralanalyse des Sternenlichts
Was die Sterne sind, wissen wir nicht
und werden es nie wissen!
Heinrich Wilhelm Dove, um 1860
Ironischerweise erfolgten gerade um 1860 in Heidelberg die entscheidenden Arbeiten zur
Lösung dieser alten Menschheitsfrage.
Der Chemiker Bunsen mit dem Physiker Kirchhoff hatten die schon lange bekannte Beobachtung, dass verschiedene Stoffe in einer heissen Flamme farbig aufleuchten, durch Einsatz eines
Spektralapparates zu einer empfindlichen Analysemethode entwickelt, die auch gleich zur
Entdeckung vieler neuer Elemente führte.
Bei diesen Arbeiten erkannten sie (mehr zufällig) 1859 anhand der Natrium D-Linien den
Ursprung der Fraunhoferschen Linien im Sonnenspektrum:
Absorption in Sonnenatmosphäre
Der englische (Amateur-)Astronom William Huggins verband sofort sein Teleskop mit einem
Spektralapparat und konnte 1860-1863 9 Elemente über Absorptionslinien (wie in Sonne) in
Aldebaran und Betelgeuse nachweisen.
Dagegen sah er im Orion-Nebel nur Emissionslinien ==> gasförmig;
21
Woraus bestehen die Himmelskörper?
Spektralanalyse des Sternenlichts
Beginn der Astrophysik: Verbindung von Astronomie mit Physik/Chemie
War es die Aufgabe [der früheren Astronomie (heute Astrometrie)], unter Voraussetzung der
Allgemeinheit einer Eigenschaft der Materie (der Gravitation), alle Ortsveränderungen der
Gestirne zu erklären, so wird es die Aufgabe der Astrophysik sein, unter der Voraussetzung der
Allgemeinheit mehrerer Eigenschaften der Materie, alle übrigen Unterschiede und Veränderungen
der Himmelskörper zu erklären.
J.C.F. Zöllner, Photometrische Untersuchungen, 1865
Während einer totalen Sonnenfinsternis am 18. August 1868 in Indien bemerkt Jules Janssen in
Koronaspektren gelbe Linie, die von Natrium abweicht:
Norman Lockyer findet keine Korrespondenz mit bekannten Elementen und postuliert neues, auf
der Erde unbekanntes Element: Helium
(1895 von W.H. Ramsay in Uranmineralien nachgewiesen. Erst danach von Chemikern anerkannt.).
[7.8.1869, Koronium, Fe XIV, 13fach ionisiertes Eisen; auch Nebulium im Orion-Nebel]
22
Energiequelle von Sternen
Sonne (und Sterne) strahlen Energie ab.
Da Energie nicht "aus dem Nichts" entsteht sondern sich nur zwischen verschiedenen Formen
umwandelt (J.R. Mayer, 1842), stellt sich die Frage:
Woher stammt die Energie der Sterne?
• Verbrennen von Kohle
Kohlige Chondrite, Kometen-/Kleinplanetenschwarm nahe Sonne, Merkurbahnanomalien
1 Erdmasse/Jahr Meteoriteneinfall ==> einige tausend Jahre (J.R. Mayer 1842)
• Kontraktion, Gravitationsenergie
Helmholtz (1854) [und Lord Kelvin]: 50 Meter/Jahr ==> 22 Millionen Jahre
[Heute Energiequelle während Zusammenfall der protostellaren Wolken bis zur Zündung der
Kernreaktionen.]
• Atomare Energie: E = m c2 (Einstein, 1905)
1896 entdeckt H. Becquerel Radioaktivität: Atome müssen innere Struktur (und Energiequelle) haben.
23
Energiequelle von Sternen
In den Folgejahren: Atome schleudern Heliumkerne, Elektronen, Quanten
aus und wandeln sich dabei in andere Elemente um
[Transmutation der Alchimisten].
• Sir Arthur Eddington: schlägt Kernverschmelzung vor (1919/20);
Beginn der "Nuklearen Astrophysik"
• Atkinson und Houtermans (1929/1931): Protonenfusion zu Helium und schwereren Elementen
• Hans Bethe und C.F. von Weizsäcker (unabhängig 1938/9):
katalytischer CNO-Zyklus (Bethe-Weizsäcker-Zyklus) aufbauend auf Massenformel
• 1919 gelingt E. Rutherford künstliche Kernumwandlung:
• Heliumfusion (1952-54) [siehe später Salpeter-Reaktion]
24
1. künstliche Kernumwandlung
1919 beobachtete E. Rutherford hochenergetische Wasserstoffkerne (Protonen) als er reinen Stickstoff mit α-Teilchen beschoss.
Er nahm an, dass einige wenige der hochenergetischen Teilchen
(7,7 MeV aus 214Po) die elektrostatische Abstossung (Coulombwall) zwischen den positiv geladenen Kernen überwinden und
unter Freisetzung eines energetischen Protons verschmelzen:
oder kurz
Die Ordnungszahl des Kerns ist also nach der Reaktion um 1 gewachsen: aus dem Stickstoffkern
(Z=7) ist ein Sauerstoffkern (Z=8) geworden.
Auf der (späteren) Nebelkammer-Aufnahme erfolgt die Umwandlung am Ort des Pfeiles. Die kurze,
dicke Spur nach rechts-oben wird durch den Sauerstoff hervorgerufen, während die lange, dünne
Spur nach links-unten den Weg des Protons, das aus dem sich zunächst bildenden, instabilen
Zwischenkern 18F (Z=9) herausgestoßen wird, sichtbar macht.
25
Theorie des heißen Urknalls
Wenn man die von Hubble entdeckte Galaxienflucht in die Vergangenheit zurück verfolgt, so muss
das Universum aus einem Zustand extrem hoher Materie-/Energiedichte und Temperatur hervorgegangen sein: Urknall
(Um 1950 in einer Serie populärer Radiosendungen von F. Hoyle "Big Bang" genannt, um die Idee
lächerlich zu machen).
G. Gamow et al. entwickelten um 1948-50 darauf aufbauend
eine (inkorrekte) Theorie über die Entstehung der Elemente:
In dieser Anfangsphase entstanden zuerst Protonen und
Neutronen. Dann Aufbau aller Elemente durch rasche Folge
von Neutroneneinfängen und Beta-Zerfällen im schnell
expandierenden Universum innnerhalb etwa der ersten
Stunde (da man die Lebensdauer des Neutrons zu einer
Stunde vermutete).
Jedoch können sie die beobachteten Strukturen in der
"kosmischen" Häufigkeitsverteilung nicht erklären und der
schnelle Abfall bis etwa Masse 100 beruht auf einer
falschen Annahme.
26
Theorie des heissen Urknalls
Die Achillesferse dieser Theorie ist jedoch:
Es existieren keine stabilen Isobare bei den Massen A = 5 und 8!
Diese Theorie wäre heute völlig vergessen, wenn die Autoren nicht Abschätzungen der heutigen
Temperatur der aus diesem Urknall hervorgegangenen Strahlung gemacht hätten, die dann 1965
durch Penzias und Wilsons rein zufälliger Entdeckung der "kosmischen Hintergrundstrahlung"
bestätigt wurden.
Anmerkung: Schon 1941 hatte Andrew McKellar die Temperatur des interstellaren Gases mit
T = 2.3 K viel genauer bestimmt. Doch erkannte niemand die Bedeutung dieser Messung, die
auch nie in einer Fachzeitschrift publiziert wurde.
27
Wie/Wo entstanden/entstehen Elemente?
Häufigkeitsverteilung der Elemente
Während dieser Druide eher die
Zeit der Alchemisten repräsentiert,
fand N.L. de Lacaille den richtigen
Ort:
die Sterne.
Erste Hinweise auf die Mechanismen der Elemententstehung lassen sich aus der Häufigkeitsverteilung gewinnen. Dabei wird immer die "Solare" Verteilung herangezogen, d.h. die
Verteilung in der praesolaren Staub- und Gaswolke, aus der vor 4,6 Milliarden Jahren das
Sonnensystem entstand. Diese Daten werden zum einen durch optische Spektrometrie der
Sonne (Fraunhofersche Linien für Elemente) und zum andern aus der Analyse von Meteoriten
(kohlige Chondriten für Isotope) gewonnen.
Auffallend sind die grossen Unterschiede (11 Größenordnungen entsprechend einem Faktor
100 Milliarden) und die starke Strukturierung. Letztere Beobachtung legt nahe, dass wir auf
eine Vielzahl von Kernreaktionen stoßen werden, die bei "relativ" niedrigen Temperaturen 28
ablaufen.
Wie/Wo entstanden/entstehen Elemente?
Nukleosynthese-Prozesse
Diese schematisierte Abbildung zeigt einen
Überblick über die verschiedenen Prozesse,
die vom Wasserstoff zum Uran führen.
Allerdings ist der Prozess, der die beiden
häufigsten Elemente (H und He) bildet, nicht
erwähnt, da drei der vier Autoren dieser Arbeit
diesen Prozess vehement bestreiten:
der Urknall.
Im folgenden werde ich versuchen, einen
Überblick über all diese Prozesse zu geben,
angefangen vom Urknall über die Reaktionen
geladener Teilchen (H- und He-Burning), die
beiden Prozesse mit Neutronen (r- und
s-Prozesse) und kurz die Synthese von
Li-Be-B durch kosmische Strahlung sowie
den p-Prozess.
29
Big-Bang Nukleosynthese I
Aus dem schnell expandierenden und abkühlenden
"Feuerball" des Urknalls materialisieren Elementarteilchen
(mit verschwindend kleinem Überschuss von Materie über
Antimaterie: 1 in 100 Millionen). Experimentell zugänglich ist
die Zeit ab etwa 1 Millionstel Sekunde nach dem Urknall, als
sich die Up- und Down-Quarks zu den Protonen und
Neutronen vereinigten. [Zusätzlich entstand noch die
"Dunkle Materie", die die uns bekannte weit überwiegt.
Ihre Natur und Geschichte bleibt noch zu erforschen.]
30
Big-Bang Nukleosynthese II
Bis etwa 2-3 min nach dem Urknall sind die Temperaturen noch so hoch, dass das relativ
zerbrechliche Deuterium schnell wieder zerlegt wird. Erst danach können die weiteren
Fusionsreaktionen zum 3He, 4He und 7Li ablaufen,
die etwa 4 min nach dem Urknall abgeschlossen
sind (Steven Weinberg ging von 3 min aus.).
Anmerkung:
31
Diese Reaktion soll in den zukünftigen Fusionsreaktoren Energie liefern.
Big-Bang Nukleosynthese III
Durch Messung der (primordialen) Ausbeuten der
leichten Elemente lässt sich die Dichte der Materie im
Weltall bestimmen. Ein besonderer Erfolg dieser
Beobachtungen bestand darin, dass die Anzahl der
Familien der leichten und schweren Elementarteilchen
zu höchstwahrscheinlich drei bestimmt wurde. Die
Bestätigung dieser Aussage durch Messungen am
LEP-Beschleuniger in Genf gibt Zuversicht, dass die
Bestimmung der Materiedichte zu lediglich etwa
3-4% der kritischen Dichte korrekt ist.
32
Big-Bang Nukleosynthese III a
Aus den links gezeigten Messungen folgt, dass die gravitativ wechselwirkende Materie ca.
40% der Masse-Energie-Dichte im Weltall ausmacht. Die Differenz zur oben bestimmten
hadronischen Materiedichte von ca. 3,5% schreibt man der "Dunklen Materie" zu. Die
verbleibenden 60% nennt man jetzt analog "Dunkle Energie"
(Einsteins "Kosmologische Konstante").
33
Das dunkle Zeitalter
Nach etwa 300000 Jahren bei einer Temperatur von etwa
4000K haben sich alle Atomkerne und Elektronen zu
neutralen Atomen vereint. Optisch wird es für lange Zeit
dunkel, da neutraler H und He kein Licht emittieren:
"Dark Ages" (äquivalent unserem Begriff
"finsteres Mittelalter").
Die sehr kleinen Dichteschwankungen zu diesem Zeitpunkt sieht
man in den Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung.
Während der folgenden 1 Milliarde Jahre wachsen diese kleinen
Dichteschwankungen zu den Keimen der Sterne, Proto-Galaxien,
Galaxienhaufen und Superstrukturen (oder umgekehrt).
Bestimmend ist dabei die Verteilung der "Dunklen Materie"; die
neuentdeckte "Dunkle Energie" spielt erst später eine
dominierende Rolle.
34
Das dunkle Zeitalter
Am Ende dieser Epoche haben sich einige dieser Materieanhäufungen soweit verdichtet und
somit erwärmt, dass die ersten Sterne entstehen. Deren UV-Licht ionisiert die sie umgebenden
Gaswolken wieder und beendet die "Dunkle Epoche" (Re-Ionisations Epoche).
In den letzten Monaten gelangen erste Einblicke in diese Zeit durch Quasar-Spektren und
Entdeckung einer Baby-Galaxie mit Gravitationslinsen.
Die allerersten Sterne hat man noch nicht gefunden, doch haben sie Spuren hinterlassen in
Form der ersten Elemente schwerer als Helium, die die massereichen, kurzlebigen unter ihnen
synthetisiert haben:
Ultra-metall-arme Halo Sterne.
35
Theorie der Nukleosynthese in Sternen
B2FH, die "Bibel" der Nuklearen Astrophysik
Einige Kosmologen (am bekanntesten Fred Hoyle, der "Erfinder" des Begriffs)
•lehnen den "Big Bang" (Urknall) ab (stattdessen Steady-State Theorie).
Wenn Elemente jedoch nicht im Big Bang entstanden sind, wie dann?
Untersuchen, genau welche Bedingungen erforderlich sind und ob diese
wirklich nur im Big Bang auftreten können!
Frage war so aktuell, dass gleichzeitig mindestens drei Studien durchgeführt
wurden:
Aufbauend auf Suess und Urey (Abundances of the elements, 1956) und
dem Kernschalenmodell (Göppert-Mayer sowie Jensen, Haxel, Suess):
• E.M. Burbidge, G.R. Burbidge, W.A. Fowler,
F. Hoyle, Synthesis of the elements in stars
• Al Cameron, Nuclear reactions in stars and
nucleosynthesis, 1957
• Charles Coryell, The chemistry of creation
of the heavy elements, 1961
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Der Lebensweg der Sterne
Sterne werden geboren in Gas- und Staubwolken. Dieser berühmte
Ausschnitt aus dem Adler-Nebel zeigt die "Pillars of Creation", in
denen gerade neue Sterne entstehen.
Nachdem die Sterne das Hauptreihenstadium und die anschliessenden
Brennphasen durchlaufen haben (und insbesondere in den letzten Stadien
Elemente bis zur Eisengruppe gebildet haben), geben sie einen Großteil
ihrer Materie wieder ins Interstellare Medium zurück, sei es als Planetarer
Nebel (rechts der Ringnebel M57) oder in Form einer SupernovaExplosion (unter Bildung der schweren Elemente).
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Übersicht über stellare Nukleosynthese-Prozesse
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Die Salpeter- oder Triple-Alpha Reaktion
Wir sahen, dass die um 1950 vorgeschlagene Synthese aller
Elemente im Urknall durch raschen Einfang von Neutronen
daran scheiterte, dass es keine stabilen Isotope der Masse
5 und 8 gibt.
Auch in der heutigen Version werden nur Isotope bis zur
Masse 7 gebildet
Wie kann man den A=8 Graben überspringen?
Trotz intensiver Suche nach Alternativen scheint es nur einen gangbaren Weg zu geben,
der schon um 1950 von Salpeter und Öpik vorgeschlagen wurde:
In einem ersten Schritt fusionieren zwei α-Teilchen zu
einem instabilen 8Be Kern, der in 10-16 Sekunden wieder
in zwei α-Teilchen zerfällt. Diese unvorstellbar kurze
Zeitspanne ist aber im Kern eines massiven Sterns, der
allen Wasserstoff zu Helium fusioniert hat, lang genug,
dass sich immer pro 1 Milliarde Heliumkernen ein 8Be
Kern findet.
In einem zweiten Reaktionsschritt können nun diese
extrem raren 8Be mit einem weiteren α-Teilchen zu einem
stabilen 12C Kern verschmelzen.
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Die Salpeter- oder Triple-Alpha Reaktion
Allerdings zeigte Fred Hoyle 1953, dass unter den Bedingungen in einem Roten Riesen-Stern
wesentlich weniger 12C produziert wird als im Weltall beobachtet wird. Er vermutete daher, dass
es im 12C Kern einen besonderen Anregungszustand gibt, der zu einer erhöhten Reaktionsrate
führt.
Und tatsächlich konnte William Fowler diesen vorhergesagten Anregungszustand experimentell
Bestätigen.
Das Anthropische Prinzip
Ohne diesen speziellen Zustand gäbe es nicht genügend Kohlenstoff auf der Welt, weder um
weitere Elemente zu synthetisieren noch um organisches Leben zu ermöglichen. Einige Wissenschaftler stellen sich die Frage, ob unsere Welt nur zufällig so beschaffen ist, dass sie uns hervorbringen konnte, oder ob sie auf diesen Endzweck hin gestaltet wurde.
Mit diesem in Theologie/Philosophie hineinreichenden Fragenkomplex verlassen wir den für diesen
Abend gewählten Themenkreis, so dass ich die Problematik nur kurz vorstellen konnte.
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Das Wasserstoffbrennen
Das Wasserstoffbrennen, sei es durch die p-p-Kette (wie in der Sonne) oder durch den CNOZyklus (bei schwereren, heisseren Sternen), ist für die Energieerzeugung während der
längsten Zeit des Lebens der Sterne verantwortlich. In beiden Fällen werden vier Protonen zu
einem Heliumkern verschmolzen, d.h. es entstehen keine neuen schwereren Elemente. Der
12C-Kern am Beginn des CNO-Zyklus kommt am Ende wieder heraus.
Er muss schon in einer früheren Sterngeneration mit der Salpeter-Reaktion gebildet werden.
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Das Wasserstoffbrennen
Die Nebenzyklen werden nur selten durchlaufen, sie tragen zur Energieerzeugung also nur wenig
bei. Über die 19F(p,γ)20Ne-Reaktion jedoch kann in sehr heißen Sternen Material den CNOZyklus verlassen und zwei weitere Zyklen bilden, die für die Nukleosynthese der Elemente Ne bis
Al wichtig sind. Die γ-Linie des radioaktiven 26Al wird in den Sternentstehungsgebieten nachgewiesen als Zeuge der noch andauernden Bildung der chemischen Elemente.
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Fortgeschrittene Brennphasen
Wenn alle Protonen fusioniert sind, durchlaufen sehr schwere
Sterne im Roten Riesen-Stadium schnell aufeinanderfolgende
Brennphasen, in denen die Asche der vorhergehenden Phase
als Brennstoff der nächsten dient: He-, C-, Ne-, O- und SiBrennen. Zur Überwindung der elektrischen Abstoßung der
Kerne sind immer höhere Temperaturen bis einige Milliarden
Grad erforderlich.
Der verschmolzene Mg (Compound-)Kern hat eine hohe innere Energie, die durch das Abdampfen
von γ-, n-, p-, α-Teilchen abgegeben wird.
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Fortgeschrittene Brennphasen
Bei den extrem hohen Temperaturen laufen eine Vielzahl von
Kernreaktionen ab, die ein breites Spektrum (meist) radioaktiver
Isotope erzeugen. Die Temperaturen sind so hoch, dass die
"Wärmestrahlung" hochenergetische γ-Strahlen sind, die einzelne
Nukleonen wieder aus den Kernen herauslösen können.
Die "höllischen" Bedingungen im finalen Si-Brennen überstehen nur die stabilsten
Isotope, d.h. die Fe- und Ni-Isotope um die Masse 56. Im Laufe des letzten
Tages eines sehr schweren Sterns bildet sich daher ein Fe-/Ni-Kern:
28Si
+ 28S ==>
56Ni
Nach der Supernova-Explosion zerfallen die 56Ni über 56Co ins stabile 56Fe, dabei
bestimmen die Halbwertszeiten dieser Zerfälle die Lichtkurve.
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Die Neutroneneinfangprozesse
Synthese mit ungeladenen Projektilen
Die Nukleosynthese mit geladenen Projektilen hört mit Erreichen
der Fe-Gruppen-Elemente auf. Zum einen wird der Energieaufwand zur Überwindung der elektrostatischen Abstossung zu groß
und – schlimmer noch – kann keine Energie durch Fusion mehr
gewonnen werden, da die Kerne der Fe-Gruppe die höchste
Bindungsenergie aufweisen. (Energiegewinn durch Spaltung sehr
schwerer Kerne ist möglich: Kernkraftwerke.)
Für die Synthese der schwereren Elemente müssen wir uns des Modells aus der Zeit um 1950
erinnern: Sukzessive Einfänge von Neutronen (ohne elektrische Ladung, also keine Abstossung) und
β-Zerfälle, die einen Teil der Neutronen in Protonen umwandeln und somit die Kernladungszahl um
eins erhöhen.
Das ursprüngliche Modell scheiterte an den Stabilitätslücken bei A=5 und 8 (die durch die TripleAlpha-Reaktion überwunden werden). Das neue Modell geht davon aus, dass leichte Elemente durch
vorhergehende Synthese in Sternen gebildet wurden. Die Synthese durch Neutroneneinfang wird ein
sekundärer Prozess, der erst abläuft nachdem die bisher besprochenen Prozesse das Ausgangs(Saat-) Material gebildet haben.
Jedoch gibt es ein Problem: Freie Neutronen haben eine Lebenserwartung von lediglich einer Viertel
Stunde. Bei der Big-Bang-Synthese stellte das kein Problem dar, da eh alles nach 3-4 Minuten beendet war. Für das neue Modell müssen also neutronenfreisetzende Reaktionen gefunden werden.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass mehrere Neutroneneinfangprozesse erforderlich
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sind, die unter sehr unterschiedlichen Bedingungen an verschiedenen Orten und Zeiten
ablaufen.
Die Neutroneneinfangprozesse
Notwendigkeit mehrerer Prozesse
Im "klassischen" Bild fängt ein stabiles Isotop (beginnend mit 56Fe) ein Neutron ein und wartet dann
auf den β-Zerfall, der ein Neutron in ein Proton umwandelt. Das Isotop des neuen Elementes wartet
dann wiederum auf ein Neutron, um den Prozess zu wiederholen. Da β-Zerfälle sehr langsam
ablaufen (im nuklearen Maßstab) erfordert dieses Verfahren einige hundert Jahre um ausgehend
von Fe die schweren Elemente aufzubauen. Da zwischen den sukzessiven Einfängen viel Zeit
vergeht (sogar länger als die β-Zerfälle), spricht man vom "slow-process" (slow, engl. langsam).
Doch dieser s-Prozess allein kann nicht alle Elemente/Isotope synthetisieren. Den historisch ersten
Grund werde ich auf einer separaten Folie erläutern, deshalb erst zwei weitere Fakten, die
imperativ (mindestens) einen weiteren Prozess erfordern:
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Notwendigkeit mehrerer Prozesse
Es gibt neutronenreiche, stabile Isotope, die vom
s-Prozess nicht erreicht werden wie z.B. 134,136Xe.
133Xe hat eine Lebensdauer von einigen Tagen und
(fast alles) zerfällt bevor es ein weiteres Neutron
absorbieren kann. Dies gilt erst recht für 135Xe mit
einer Lebensdauer von einigen Stunden.
Der s-Prozess endet mit dem letzten stabilen Isotop
209Bi. Neutroneneinfang führt zu 210Bi, das durch βZerfall in den α-instabilen Kern 210Po übergeht. Dessen
α-Zerfall in das stabile Isotop 206Pb führt zurück in den
s-Prozess-Pfad.
Die natürlich vorkommenden (langlebigen) Elemente
Th und U erfordern einen weiteren Prozess.
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Die Neutroneneinfangprozesse
s- und r-Prozess an magischen Neutronenschalen
Den ersten Hinweis auf zwei Prozesse gab die solare Häufigkeitsverteilung der schweren Elemente. Auffällig sind drei Doppelpeaks,
jeweils ein breiter gefolgt von einem schmalen. Die Atomkerne in
den schmalen Peaks haben Neutronenzahlen von 50, 82 bzw. 126.
Diese Zahlen sind in der Kernphysik als "magische (Nukleonen-)
Zahlen" bekannt. Kerne mit magischer Anzahl von Protonen
oder/und Neutronen haben eine hohe Stabilität (entsprechend den
abgeschlossenen Elektronenschalen der Edelgase in der Chemie).
Sie haben lange Halbwertszeiten und niedrige Neutroneneinfangraten.
Dies führt quasi zu einem Verkehrsstau und erklärt die großen
Häufigkeiten.
Die Doppelstrukturen erfordern allerdings zwei verschiedene Prozesswege:
Die schmalen Peaks entstammen dem s-Prozess entlang den stabilen Isotopen.
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s- und r-Prozess an magischen Neutronenschalen
Die (stabilen) Isotope in den breiten Peaks haben etwa 6 Neutronen weniger als die
magischen Zahlen. Dies wird dadurch erklärt, dass sie die β-Zerfallsprodukte sehr
neutronenreicher kurzlebiger Isotope mit den entsprechenden magischen Zahlen sind.
Dieser zweite Einfangsprozessweg verläuft also weit entfernt von den stabilen Isotopen.
Im Gegensatz zum s-Prozess mit geringen Neutronenflüssen erfordert dieser Prozess
extrem hohe Neutronenflüsse während extrem kurzer Zeiten. Dies erlaubt z.B. einem
Fe-Saatkern sukzessive etwa 20 Neutronen einzufangen bevor der erste β-Zerfall erfolgt.
Entsprechend wird er rapid-process (schneller Prozess) genannt.
Der r-Prozess verläuft durch neutronenreiche β-instabile Kerne und
vermeidet dadurch die α-instabilen Kerne am Ende des
s-Prozesspfads.
Dieser Prozess endet mit dem Einsatz der Kernspaltung bei etwa
der Massenzahl 250.
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Die Neutroneneinfangprozesse
Astrophysikalische Szenarien und irdische Experimente (I)
Zwischen dem s- und dem r-Prozess gibt es bedeutende Unterschiede:
Am wesentlichsten ist unser Kenntnisstand.
Und das gilt gleichermassen für die Astro- als auch die Kernphysik.
Man glaubt heute den s-Prozess einigermassen verstanden zu
haben. Als Ort stellt man sich Rote Riesensterne in instabilen,
pulsierenden Phasen vor.
Und insbesondere lassen sich fast alle Eigenschaften der beteiligten
Kernreaktionen im Labor experimentell bestimmen, da stabile,
nicht radioaktive Isotope beteiligt sind.
Durch Konvektion werden Protonen aus den äußeren, unverbrauchten Schichten in die Brennzone
gemischt, in der 12C mit α-Teilchen zu O verschmilzt. Ein Teil der 12C-Kerne reagiert mit den
Protonen zu 13C, das dann über (α,n)-Reaktionen Neutronen erzeugt.
Die neutronenfreisetzenden Reaktionen 13C(α,n) und 22Ne(α,n) haben jedoch ein paradox
anmutendes Handicap: man benötigt α-Strahlen geringer Energie, die man nicht von den
modernen, sündhaft teuren Beschleunigern erhält. Und die alten, "billigen" Anlagen wurden meist
verschrottet.
50
Die Neutroneneinfangprozesse
Astrophysikalische Szenarien und irdische Experimente (I)
Die für den s-Prozess wesentlichen Messgrößen sind Neutroneneinfangsraten in stabile Isotope
zwischen Eisen und Wismut. Die Neutronen haben eine Energieverteilung um etwa 30 keV, die
sich durch 7Li(p,n)-Reaktionen gewinnen lassen. Dies sind prinzipiell "einfache" Experimente,
die z.B. am Forschungszentrum Karlsruhe durchgeführt werden. Von der kernphysikalischen Seite
ist der s-Prozess deshalb gut verstanden.
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Die Neutroneneinfangprozesse
Astrophysikalische Szenarien und irdische Experimente (II)
Im Gegensatz dazu lässt sich über den r-Prozess nur sicher sagen, dass er unter extremen
Bedingungen ablaufen muss:
Das astronomische Szenarium muss für etwa 5 Sekunden ungeheure Neutronenflüsse zur
Verfügung stellen, ein Vorgang der die gleichzeitige Freisetzung ungeheurer Energiemengen
bedeutet. Solche Bedingungen lassen sich nur in den extremsten Entwicklungsstadien von
Sternen realisieren, sprich einer Supernova-Explosion.
Experimentell ist der r-Prozess eher unzugänglich. Die auftretenden
Neutronenflüsse übertreffen irdische (Hochfluss-)Kernreaktoren um
Faktoren über eine Milliarde. Unterirdische Tests mit Wasserstoffbomben erbrachten erste Hinweise auf das Ende des Prozesses durch
Kernspaltung, doch weitere Experimente erforderten die Aufkündigung
der Teststopverträge.
Und da fast alle auftretenden Isotope extrem neutronenreich und kurzlebig sind, kann ihre Kernstruktur i.a. nur theoretisch abgeleitet werden. Wichtig sind Daten der Kernmassen und der β-Zerfallseigenschaften. Jedoch scheint die Hoffnung zu trügen, dass die Theorien fernab der experimentellen Basis unverändert anwendbar bleiben
Experimentelle Daten lassen sich nur für die Isotope mit magischen
Zahlen 50 und 82 gewinnen, da nur an diesen Stellen der Prozesspfad
näher an das Stabilitätstal herankommt. In den letzten Jahren konnten mit
aufwendiger Technik einige Isotope im Labor erzeugt und vermessen
werden. Benötigt werden eigentlich Daten von an die Tausend Isotopen.
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rp-Prozess und Röntgenblitze
Mit geringer Häufigkeit gibt es neutronenarme Isotope, die von
den schwereren durch ein instabiles Isotop getrennt sind und
daher in den bisher besprochenen Prozessen nicht gebildet
werden.
Man stellt sich vor, dass abwechselnd hochenergetische
Protonen eingefangen werden und sich unter Aussendung
eines Positrons in ein Neutron verwandeln. Dieser rp-Prozess
erfordert für kurze Zeiten Protonen bei hoher Temperatur.
Diese Bedingungen sind z.B. bei einer Nova-Explosion gegeben. In
einem engen Doppelsystem aus einem Neutronenstern
(oder Weißen Zwerg) und einem Hauptreihenstern strömt solange
Wasserstoff (Protonen) auf den ultrakompakten Partner bis die
Temperatur für den Einsatz explosiven Brennens erreicht wird.
Nach 10 - 100 Sekunden ist der Wasserstoff verbrannt und das Spiel
kann wieder beginnen.
53
rp-Prozess und Röntgenblitze
Links unten ist eine Berechnung des zeitlichen Verlaufs der
abgestrahlten Energie gezeigt, die als "Lichtkurve" beobachtbar sein
sollte. Bedingt durch die Temperatur von Hunderten Millionen Grad
allerdings als Röntgenstrahlung.
Darüber ist die Aufzeichnung eines Typ I Röntgenblitzes (X-ray burst)
dargestellt . Die Übereinstimmung ist gut, sodass dieses Modell der
Realität recht nahe kommen sollte.
Die sehr schweren protonenreichen Isotope müssen in einem weiteren Prozess gebildet werden.
Bei sehr hohen Temperaturen lösen γ-Strahlen Neutronen aus den Kernen heraus.
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Nukleosynthese durch Kosmische Strahlung
Wenn die extrem hochenergetische Galaktische Kosmische Strahlung auf Materie trifft, wird
soviel Energie auf den Kern übertragen, dass seine Nukleonen schlicht verdampfen.
Diese Reaktionen mit interstellarer/-galaktischer Materie (wie Molekülund Staubwolken oder Kometen und Asteroiden) stellen die Hauptquelle für die Elemente Li, Be, B dar, die weder im Urknall noch in
Sternen synthetisiert werden.
Diese Spallationsreaktionen erzeugen auch langlebige
Radionuklide, die es z.Bsp. gestatten, die Zeit zu
bestimmen, die Meteoriten vor dem Fall im interplanetaren Raum verbracht haben.
In der Hochatmosphäre der Erde entsteht so das
Radiokarbon 14C, das Altersbestimmungen organischen
Materials gestattet.
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"Recycling" im All
Häufigkeit (und isotopische Zusammensetzung) der chemischen Elemente an einem Ort zu einem
Zeitpunkt hängen von den vorausgegangenen Sterngenerationen ab. Man nimmt z.B. an, dass
zu unserem Sonnensystem etwa 50 bis 100 Sterne beigetragen haben.
NGC2359, Wind des
WR-Sterns HD56925
Shapley-1 in Norma
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Galaktische chemische Evolution
Alte metall-arme Sterne
1. Sterngeneration entstand ca. 1 Mrd. Jahre nach "Big-Bang“
Rote Riesensterne, deren Hülle Elemente aus einer (oder
einiger weniger) Supernova-Explosionen massiver Sterne
der 1. Generation enthalten, können im Halo der Milchstraße
beobachtet werden.
Dieser Stern enthält etwa 1000 mal weniger Fe als die Sonne.
Die schweren Elemente entsprechen den r-Prozess- (rote
Linie) und nicht den s-Prozesshäufigkeiten (grüne Linie).
Zeitliche Abfolge der Nukleosyntheseprozesse.
r-Prozess (schwere, kurzlebige Sterne) geht s-Prozess (im
Endstadium mittelschwerer Sterne) voraus.
Eu wird fast nur im r-Prozess gebildet, während Ba in beiden
Prozessen erzeugt wird.
Solares Ba überwiegend aus s-Prozess
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Alte metall-arme Sterne
Atomgewicht des Elementes Ba zeit- (und orts-) abhängig:
Im r-Prozess: nur Ba-135,137,138, da Ba-134 und -136 von Xe-134 und -136 "abgeschirmt" werden
Im s-Prozess: Ba-134 bis 138
Das s-Prozess Ba hat ein geringeres Atomgewicht!
Da die optischen Übergänge von Ba-Isotopen mit gerader und ungerader Kernladungszahl leicht
verschieden sind, sollte dieser Effekt mit Spektralapparaten sehr hoher Auflösung beobachtbar sein.
Anmerkung: Ba-132 mit geringer solarer Häufigkeit (0,1%) wird in einem weiteren Nukleosyntheseprozess (p-Prozess) gebildet
Hinweis: Im Kurs am 20.5.2003 "Wie alt ist das Universum?" werde ich aus dem Th- und U-Gehalt
dieser Sterne Grenzwerte für das Alter des Weltalls ableiten.
58
Sternenstaub
• Kristallite hoher Schmelztemperatur in
Meteoriten:
Zeitzeugen vergangener Sterngenerationen
• Interplanetare und interstellare Staubkörner:
Detektoren auf Raumsonden Galileo,
Ulysses, Cassini
"Stardust"-Sonde soll Staubkörner in Aerogel
einfangen und Januar 2006 zur Erde
zurückbringen:
Januar 2004 Flug durch Koma von Komet
81P/Wild-2;
Im Flug zum Kometen interstellare Körner,
die vermutlich von Supernova-Explosionen
stammen, die vor etwa 10 Mil. Jahren in
Scorpius-Centaurus OB Assoziation
stattfanden.
59
Galaktische chemische Evolution
Unsere “unmittelbare” Nachbarschaft
In diesem 10 Lichtjahre Ausschnitt sieht man die Schale interstellaren Gases und Staubes,
die gerade durch das Sonnensystem zieht und eine weitere, die schon durchgezogen ist.
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Unsere “fernere” Nachbarschaft
In diesem 1500 Lj Ausschnitt sieht man 3 Schalen von der Scorpius-Centaurus OB Assoziation
ausgehen. In diesen jungen Sternhaufen sind in den vergangenen 10 Millionen Jahren eine Reihe
von Sternen als Supernova explodiert. Vor etwa 2 Mill. Jahren befand sich die Sonne nur in 130 Lj
Entfernung. Man nimmt nun an, dass in Meeressedimenten gefundenes radioaktives 60Fe
(T1/2=1,5 Mill. J.) damals auf die Erde niederrieselte. Etwas spekulativer ist die Vermutung, dass
ein Massensterben von Meeresplankton beim etwa gleichzeitigen Pliozän-Pleistozän Übergang
ebenfalls durch diese Explosionen verursacht wurde, nachdem die Gamma- und Röntgenstrahlung
die Ozonschicht zerstörte. Die Autoren stellen selbst die Frage, ob das etwa gleichzeitige Auftreten
des ersten Menschen, Homo Erectus, dadurch verursacht wurde.
Zur Beruhigung, die Kandidaten für die nächsten Supernovae sind alle weiter entfernt!
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Komplexe Moleküle im All
Heute Abend lag das Hauptaugenmerk auf der Entstehung der Elemente.
Trotz extrem niedriger Temperatur und Dichte laufen hochkomplexe
chemische Reaktionen im interstellaren Medium ab, die zu überraschend
komplexen Molekülen führen. Radio- und Infrarotastronomen haben schon
etwa 125 Verbindungen in den Molekülwolken nachgewiesen.
Molekülwolken enthalten komplizierte Verbindungen (unten Äthylenglykol),
teilweise Vorläufer biologischer Moleküle.
Im Verlauf des Kollapses der interstellaren Wolken zu neuen Sternen laufen komplexe
physikalisch/chemische Reaktionsketten ab;
künftige Infrarotsatelliten (wie z.Bsp. NGST) werden so in Kinderstube der Sterne sehen können.
Diese Verbindungen kondensieren in kühleren Regionen der protostellaren Wolken in die Eisund Gesteinsbrocken, die dann von Zeit zu Zeit als Kometen und Meteorite untersucht werden
können (links Murchison).
In der in der Nähe des galaktischen Zentrums gelegenen Molekülwolke Saggitarius B konnte
Vinylalkohol (neben gigantischen Mengen von Methanol und Äthanol) nachgewiesen werden,
das als Ausgangssubstanz komplexerer organischer Verbindungen dient. Wie es entsteht, ist
noch nicht geklärt. Wahrscheinlich erfordert die Synthese chemische Reaktionen auf der
Oberfläche von Staubkörnern.
Diese Problematik erfordert einen eigenen Abend;
und einen Referenten, der mehr von Chemie versteht!
62
Sind wir allein im All?
Unzählige Sonnen existieren, unzählige Erden umkreisen diese Sonnen,
so wie die sieben Planeten unsere Sonne umkreisen.
Lebendige Wesen bewohnen diese Welten.
Dell' infinito universo e dei mondi, Giordano Bruno, 1584
Eine alte Menschheitsfrage!
Chemische Elemente (sogar praebiotische Moleküle) sind überall vorhanden.
Leben entstand schon sehr früh auf der jungen, extrem unwirtlichen Erde.
Doch die Frage zielt eigentlich nicht auf Mikroben, sondern auf
intelligentes Leben.
Dazu mussten nahezu 4 Milliarden Jahre lang relativ konstante, Leben ermöglichende
Bedingungen auf der Erde vorliegen.
Wie häufig sind diese Bedingungen anzutreffen?
Fermi Paradox (1950): Galaxis innerhalb 10 Mill. Jahren kolonisiert.
Wo sind die Ausserirdichen?
Frank Drakes Gleichung (1961)
63
Neben der bewohnbaren solaren Zone Vorschlag einer
bewohnbaren galaktischen Zone.
Z.B. könnte die für die Bildung erdähnlicher Planeten erforderliche Mischung leichter bis schwerster
Elemente nur in einem mittleren ringförmigen Ausschnitt aus Galaxien während eines endlichen
Zeitfensters vorhanden sein. Nach neueren Untersuchungen entstehen heute nur noch "wenige"
neue Sterne, d.h. es bilden sich auch weniger radioaktive Elemente, deren Zerfallswärme
erdähnliche Planeten im Innern geschmolzen hält und über die Plattentektonik einen Kreislauf von
Treibhausgasen über lange Zeiten ermöglicht. Sich heute bildende Planeten könnten erkalten,
bevor höhere Lebensformen entstehen konnten.
Wir sollten sorgsam mit der Erde umgehen!
Wir finden sobald keinen Ersatz.
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Vorschau
Heute Abend wurden "Kosmische Wolken" lediglich als Zwischenspeicher betrachtet, in denen die
beim Tod eines Sterns ins interstellare Medium geschleuderten Elemente neu durchmischt werden,
bis sie wieder in die nächste Sterngeneration integriert werden.
Nächsten Dienstag wird Ihnen Herr Schuster zeigen, welch faszinierende Objekte diese Wolken
am Sternhimmel darstellen.
Kosmische Wolken - Farbtupfer in der Milchstrasse
Jörg Schuster
28.05.2002
Adlernebel mit M16
Auch nächstes Jahr gibt es wieder einen Kurs!
Einige Vorträge werden Themen des heutigen Abends ausführlicher behandeln:
25.3.2003: Die neuen Planetensysteme (Andreas Corell)
01.4.2003: Leben unter fernen Sonnen - fremde Lebensformen? (Andreas Corell)
20.5.2003: Wie alt ist das Universum? (Bernd Pfeiffer)
65
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