Kernphysik Schwergewichte auf der Waage

Zu den wichtigsten Größen der Physik zählt die Masse eines Atomkerns. Sie liefert wertvolle Informationen über den Aufbau, die Struktur, die Bindungsverhältnisse und die Stabilität des Kerns. Doch ist es mitunter recht schwierig, Massen von Atomkernen präzise zu messen. Das gilt insbesondere für die künstlichen radioaktiven Nuklide, die schwerer sind als Uran. Da sie durch Kernreaktionen hergestellt werden müssen, stehen sie häufig aufgrund geringer Produktionsraten nur in kleinen Mengen zur Verfügung. Außerdem sind die Halbwertszeiten der schweren Transurane für detaillierte Untersuchungen meist zu kurz. Abhilfe bietet seit kurzem eine spezielle Waage für schwere Elemente, die von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt entwickelt wurde. Damit hat eine europäische Forschergruppe jetzt die Massen und die Bindungsenergien von Isotopen der künstlichen Elemente Nobelium und Lawrencium bestimmt. Dabei sind sie auf Schaleneffekte gestoßen, die einigen dieser Atomkerne offenkundig eine recht große Stabilität verleihen.

Zusammenhalt dank Schalenkorsett

Die Protonen und Neutronen sind im Atomkern in ähnlicher Weise auf Energieschalen angeordnet wie die Elektronen in der Atomhülle. Kerne gelten als besonders stabil, wenn die Zahl ihre Bausteine zwei, acht, 20, 28, 50 oder 82 beträgt. Bei diesen „magischen“ Zahlen ist eine Schale vollständig gefüllt. Der Schaleneffekt sorgt dafür, dass selbst schwere Atomkerne jenseits von Uran zusammengehalten werden, die eigentlich sofort durch Spontanspaltung zerfallen müssten. Allerdings sind die Verhältnisse in den großen Radionukliden viel komplizierter als in den kleineren Atomkernen. Die Physiker können deshalb meist nur grob abschätzen, bei welcher Neutronen- oder Protonenzahl eine Schale gefüllt ist. Für die Überprüfung der theoretischen Vorhersagen sind die Experimentatoren zuständig, indem sie etwa die Masse und damit die Bindungsenergie für die fraglichen Kerne möglichst präzise ermitteln. Beide Größen sind über die berühmte Einsteinsche Formel E = m · c(hoch)2 direkt miteinander verknüpft.

Ungenaue Verfahren

Die Masse eines schweren Radionuklids bestimmt man üblicherweise dadurch, dass man die beim radioaktiven Zerfall freigesetzte Energie und die Massen der Zerfallsprodukte misst - ein bisweilen ungenaues Verfahren, da ein Teil der Energie als Anregungsenergie in den entstehenden Atomkernen verbleibt und sich damit der Massenbestimmung entzieht. Einen Ausweg bietet nun die Waage in Darmstadt, da man mit ihr die Massen von künstlich erzeugten schweren Kernen direkt und auf vergleichsweise einfache Weise bestimmen kann.

Eine Päzisionswaage für Atomkerne

Das zentrale Element der „Waage“ ist ein Käfig, in dem geladene Teilchen mit Hilfe sich überlagernder elektrischer und magnetischer Felder festgehalten werden. Aus der Frequenz, mit der ein Teilchen um die magnetischen Feldlinien kreist - die sogenannte Zyklotronfrequenz -, lässt sich dessen Masse ermitteln. Die dabei erzielte Genauigkeit beträgt wenige Millionstel Prozent und übertrifft herkömmliche Verfahren um eine Größenordnung.

Die Forscher um Michael Block und Minaya Ramirez haben sich in ihrem jüngsten Experiment auf Atomkerne der Elemente Nobelium (Ordnungszahl 102) und Lawrencium (Ordnungszahl 103) mit Neutronenzahlen um 152 konzentriert. Der Grund: Bei 152 Neutronen erwartet man eine abgeschlossene Schale und somit eine höhere Bindungsenergie als bei benachbarten Kernen. Zur Herstellung der Transurane haben Block und seine Kollegen Blei- beziehungsweise Wismutfolien mit energiereichen Kalziumionen bestrahlt. Trafen Kalziumkerne auf die Kerne des Targetmaterials, kam es hin und wieder zu Fusionsreaktionen, in deren Folge auch Atomkerne mit 102 und 103 Protonen entstanden. Die Zahl der Neutronen variierte zwischen 150 und 153. Die Halbwertszeiten der Radionuklide waren mit rund zwei Sekunden bis 1,7 Minuten für die direkte Massenbestimmung lang genug. Allerdings war die Rate, mit der einige Isotope erzeugt wurden, äußerst gering. So gingen den Forschern während der viertägigen Messzeit etwa gerade mal fünfzig Atomkerne des Isotops Lawrencium-256 in die Falle.

Erfolgreiches Geduldspiel

Die Mühen haben sich offenkundig gelohnt: Als die Forscher aus den Massen der sechs „gewogenen“ Isotope und aus den bereits bekannten Massen von weiteren Nobelium- und Lawrenciumnukliden die entsprechenden Bindungsenergien ermittelten, zeigten die Atomkerne mit 152 Neutronen gegenüber den anderen Isotopen eine deutliche Überhöhung. Für Block und seine Kollegen ein untrügliches Zeichen dafür, dass man es hier offenkundig mit zwei vergleichsweise stabilen Atomkernen zu tun hat, die jeweils eine abgeschlossene Neutronenschale besitzen (“Science“, Bd. 337, S. 1207). Für die Forscher zählt 152 damit definitiv zu den magischen Zahlen.

In kleinen Schritt  zur Stabilitätsinsel

Das präzise Wägeverfahren für schwere Atomkerne ermöglicht es nicht nur, schwer zugängliche Kernmassen direkt zu bestimmen, sondern auch die theoretischen Modelle der Kernphysik zu testen. „Ein theoretischer Ansatz sagt beispielsweise eine magische Zahl für 154 Neutronen voraus, was nicht bestätigen konnten“, sagt Michael Block. „Die theoretischen Modelle können nun an unsere experimentellen Befunde angepasst werden“. Daraus lassen sich etwa bessere Voraussagen über die Lage der „Insel der Stabilität“ auf der Nuklidkarte ableiten. Damit bezeichnet man künstliche schwere Atomkerne, die aufgrund vollständig gefüllter Protonen und Neutronenschalen recht stabil sind und theoretischen Berechnungen zufolge bis zu Minuten oder vielleicht Stunden leben, bevor sie zerfallen. Die benachbarten Kerne existieren dagegen nur für Millisekunden oder kürzere Zeit. Erwartet wird dieses Eiland bei Nukliden mit rund 120 Protonen und 184 Neutronen. Die bislang schwersten erzeugten Atomkerne haben 118 Protonen und 176 Neutronen. Die Forschergruppe, zu der Physiker um Lutz Schweikhard von der Universität Greifswald, Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg sowie Wissenschaftler von den Universitäten Mainz, Padua und Petersburg zählen, will ihr Wägeverfahren nun weiter verfeinern und sich schrittweise an die Stabilitätsinsel herantasten.