Leibniz Physikkurs 2001/2002

Elementsynthese und Teilchenzoo

1. Fusionsprozesse
   
   
   
• Fusionsreaktionen erfolgen über den Tunneleffekt
  unterhalb der Coulomb-Barriere
  
  - Coulomb-Barriere:
    gegenseitige elektrische Abstoßung der positiv geladenen Kerne
  
  - Tunneleffekt:
    quantenmechanischer Effekt, Teilchen werden als Wellenpakete betrachtet, die Pakete besitzen eine gewisse Wahrscheinlichkeit, Barrieren zu durchdringen
  
  
  
• 10 Millionen Kelvin: pp-Zyklus
  
  p + p            -->   d + e⁺ + Neutrino
  p + d            -->   ³He + gamma
  ³He + ³He   -->   p + p + ⁴He
  
  insgesamt: 4p   -->  ⁴He + 2e⁺ + 2 Neutrinos + gamma
  
  im ersten Schritt beta-Zerfall und Umklappen des Spins eines Protons gleichzeitig
  --> sehr unwahrscheinlich
  
  
• 15-30 Millionen Kelvin: CNO-Zyklus
  
  ¹²C + p   -->   ¹³N + gamma
  ¹³N         -->  ¹³C + e⁺ + Neutrino
  ¹³C + p   -->   ¹⁴N + gamma
  ¹⁴N + p   -->   ¹⁵O + gamma
  ¹⁵O         -->  ¹⁵N + e⁺ + Neutrino
  ¹⁵N + p   -->   ¹²C + ⁴He
  
  
• 100 Millionen Kelvin: 3-alpha Prozess
  
  3 ⁴He   -->   ¹²C + gamma
  
  
• 600 Millionen Kelvin: Fusion von Kohlenstoff
  
  ¹²C + ¹²C   -->   ²⁴Mg + gamma
  ¹²C + ¹²C   -->   ²³Na + p
  ¹²C + ¹²C   -->   ²⁰Ne + ⁴He
  ¹²C + ¹²C   -->   ²³Mg + n
  ¹²C + ¹²C   -->   ¹⁶O + 2 ⁴He
  
  
  
• 1 Milliarde Kelvin: Fusion von Sauerstoff
  
  ¹⁶O + ¹⁶O   -->   ³²Si + gamma
  ¹⁶O + ¹⁶O   -->   ³¹P + p
  ¹⁶O + ¹⁶O   -->   ²⁸Si + ⁴He
  ¹⁶O + ¹⁶O   -->   ³¹S + n
  ¹⁶O + ¹⁶O   -->   ²⁴Mg + 2 ⁴He
  
  
  
• >1.5 Milliarde Kelvin: Fusion von Silizium
  
  ²⁸Si + ²⁸Si   -->   ⁵⁶Ni + gamma
  ⁵⁶Ni             -->   ⁵⁶Fe + 2e⁺ + 2 Neutrinos
  
  
• alle Elemente bis zum Eisen werden dabei als Nebenprodukte gebildet
  
  
• Reaktionen verlaufen immer schneller,
  Fusion von Silizium zu Eisen dauert nur ein paar Tage
  
  
• Beim Eisen ist die Bindungsenergie pro Nukleon am größten, deshalb ist darüberhinaus keine Energiegewinnung über Kernfusion mehr möglich.







2. Synthese schwerer Elemente
   
   
   
• Anlagerung von Neutronen an bestehende Kerne
  
  
• s(low)-Prozess:
  - Neutroneneinfang geschieht langsamer als beta-Zerfall
  - Elemente bis zum Blei werden aufgebaut
  - Neutronen stammen zB aus
     ²²Ne + alpha --> ²⁵Mg +n
     ¹³C + alpha --> ¹⁶O +n
  
  
• r(apid)-Prozess:
  - bei hoher Neutronendichte (Supernova) treten Neutroneneinfänge schneller auf
    als beta- und alpha-Zerfälle
  - auch schwerere Elemente als Blei werden deshalb aufgebaut
  
  
• Beta-Zerfall
  - Kern mit der kleinsten Masse in einem Isobarenspektrum (verschiedene Elemente mit derselben Massenzahl) ist stabil: höchste Bindungsenergie
  - mögliche beta-Zerfälle:
    n --> p + e^- + Anti-Neutrino
    p --> n + e⁺ + Neutrino
  - es entsteht jeweils ein neues Element mit einer um 1 höheren bzw. niedrigeren
    Kernladungszahl
  
  



• Alpha-Zerfall
  - ein alpha-Teilchen (2p+2n) wird abgestrahlt
  - es durchdringt die Coulomb-Barriere mittels Tunneleffekt
  - Vorraussetzung: es muss sich im Kern ein alpha-Teilchen mit der nötigen Energie bilden, erst dann gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit für einen alpha-Zerfall
  - die meisten alpha-Strahler sind schwerer als Blei (neutronenreich)
  








3. Der Teilchenzoo
   
   
   
• bisher kennengelernt:
  Proton, Neutron, Elektron, Neutrino, Gammaquant, alpha-Teilchen
  
  
• außerdem gibts noch:
  Quarks, Leptonen, Hadronen, Mesonen, Pionen, Myonen, Kaonen, w-Bosonen,
  Z-Bosonen, Gluonen, Hyperonen, Antiteilchen, Chi, J/Psi, Delta++, Bottonium,
  Toponium, Charmonium und noch viele andere...
  
  
• Bausteine des Teilchenzoos
  - Leptonen und Quarks, nach heutigem Wissen elementar, dh. ohne Substruktur
  
  
• Vermittler der Kräfte zwischen Leptonen und/oder Quarks: Quanten
  
     - Photon: überträgt die elektromagnetische Kraft zwischen geladenen Teilchen
     - Gluonen: übertragen die hadronische Kraft
     - intermediäre Bosonen: übertragen die schwache Kraft
     - Gravitonen: übertragen die Gravitation
  
  



• Leptonen:
  - Elektron, Myon, Tau + Antiteilchen (Positron, My⁺,Tau⁺)
  - tragen eine Elementarladung, unterscheiden sich aber in der Masse
     Beispiel: Masse(Tau) = 3000*Masse(Elektron)
  - zugehörige Neutrinos und Antineutrinos
  
  
• Quarks
  - Up und Down, Charme und Strange, Top und Bottomn + jeweilige Anti-Quarks
  - sie tragen 2/3 bzw -1/3 Elementarladung
  - sie treten jeweils in 3 Farben (+ Antifarben) auf: r,g,b
     --> Farbladung für die starke Wechselwirkung
  
  
• 2 Familien, aus Quarks aufgebaut:
  - Baryonen: Quark-Quark-Quark
  - Mesonen: Quark-AntiQuark
  
  - Teilchen müssen immer farblos sein: rgb oder Farbe+Antifarbe
  
  - Beispiele für Baryonen:
      Proton (uud), elektrisch geladen
      Neutron (udd), elektrisch neutral
  
  - Beispiele für Mesonen:
      Phi (s,anti-s), elektrisch neutral
      Pi⁺ (u,anti-d), elektrisch positiv
      Pi^- (anti-u,d), elektrisch negativ
  
  
• Beispiel für die Wirkungsweise der Bosonen: beta-Zerfall
  - Phänomen der sog. schachen Wechselwirkung
  - geschieht über den Austausch von Bosonen
  
  



4. HA: Was ist mit "veränderlich" bei Sternen gemeint ? Und wie könnte man es von der Erde aus beobachten ? (Denkaufgabe, ohne Bücher)