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Kernphysik Schwergewichte auf der Waage

Gefangen in einem Käfig lassen sich die Massen schwerer Radionuklide präzise vermessen. Dabei hat man nun Atomkerne aufgespürt, die eine erhöhte Stabilität aufweisen.

© GSI Vergrößern Enrique Minaya Ramirez (links) und Michael Block am Shiptrap-Experiment. Der weiße Tank im Hintergrund ist ein supraleitender Magnet. In dessen Zentrum sitzt eine Ionenfalle - die Präzisionswaage für schwere Radionuklide.

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.

Nuklidkarte: Natur und Wissenschaft, Physik und Chemie © GSI Vergrößern Ausschnitt der Nuklidkarte (Neutron-Proton-Kombinationen) im Bereich der schwersten Elemente.

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.

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