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Nuklide auf der Waage Pingpong mit exotischen Atomkernen

Mit einer speziellen Waage lassen sich nun auch die Massen von kurzlebigen Isotopen präzise vermessen. Schwere Kalziumkerne am Rande der Existenz zeigen ihren wahren Charakter.

© Grafik Frank Wienholtz, Uni Greifswald Vergrößern Ionen-Pingpong zur Massenbestimmung von exotischen Kalziumkernen

Von den rund dreitausend bekannten Atomkernen sind nur die wenigsten stabil. Etwa 90 Prozent sind radioaktiv und zerfallen oft schon innerhalb weniger Stunden, Minuten oder Sekunden. Besonders instabil sind Kerne mit einem hohen Neutronenüberschuss. Sie leben kaum länger als Sekundenbruchteile - zu kurz für eingehende Untersuchungen. Außerdem können sie nur in kleinsten Mengen künstlich erzeugt werden. Daher sind zentrale Eigenschaften - wie Masse, Bindungsenergie, Kernspin, Halbwertszeit, Struktur oder Aufbau - vieler kurzlebiger Atomkerne kaum bekannt. Die Kernphysiker müssen sich in diesen Fällen auf die Voraussagen ihrer theoretischen Modelle verlassen. Eine europäische Forschergruppe hat nun eine spezielle „Waage“ entwickelt, dank der Kernmassen auch von besonders exotischen Atomkernen gemessen werden können. Damit ist es ihnen nun gelungen, kurzlebige Kalziumisotope recht schnell zu „wiegen“ und diesen wichtige Eigenschaften zu entlocken, die ein besseres Verständnis der Kernkräfte ermöglichen.

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Für Kernphysiker ist die Masse eines Atomkerns von zentraler Bedeutung, da sie Aussagen über die Struktur, die Bindungsenergie und damit die Stabilität des Nuklids ermöglicht. Besonderes Augenmerk schenkt man den exotischen Kernen mit einem hohen Anteil an Neutronen. Sie werden als Prüfsteine für die Voraussagen der Kernmodelle genutzt. So nimmt man an, dass die Protonen und Neutronen im Atomkern in ähnlicher Weise auf Energieschalen angeordnet sind wie die Elektronen in der Atomhülle. Ein Atomkern, bei dem sowohl die Protonen als auch die Neutronen jeweils eine abgeschlossene Schale bilden, ist stabiler als seine Nachbarkerne. Das ist bei den magischen Zahlen erfüllt, also wenn ein Kern genau zwei, acht, 20, 28, 50, 82 und 126 Protonen oder Neutronen besitzt. Diese Zahlen findet man für die stabilen und langlebigen Atomkerne. Gelten sie aber auch für die kurzlebigen Kerne?

Kanadische Experimente weisen den Weg

Um dieser Frage nachzugehen, wählten die Physiker des europäischen Forschungszentrums Cern bei Genf neutronenreiche Kalziumisotope. Das stabilste Isotop des silbrig weißen Elements - Kalzium-40 - besitzt einen Kern mit 20 Protonen und 20 Neutronen. Ein weiteres beständiges Kaliziumisotop - Kalzium-48 - hat 28 Neutronen. Beide Isotope gelten deshalb als „doppelt magisch“. Wie würden sich die Verhältnisse beim Hinzufügen weiterer Neutronen ändern? Messungen an den schweren Isotopen Kalzium-51 und Kalzium-52 mit 31 beziehungsweise 32 Neutronen, über die im vergangenen Jahr Wissenschaftler vom Forschungszentrum Triumf in Kanada berichteten, hatten Hinweise darauf gegeben, dass sich entgegen den gängigen Theorien auch bei 32 Neutronen eine Schale schließt (“Physical Review Letters“, Bd. 109, Nr. 032506). Zur Überprüfung dieses Befunds haben Frank Wienholtz von der Universität Greifswald und seine Kollegen jetzt Kalziumisotope mit noch höheren Neutronenzahlen untersucht.

Ionen-Pinpong zur Massenbestimmung exotischer Kalziumkerne © Grafik Frank Wienholtz, Uni Greifswald Vergrößern Schema des Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers. Die Ionen werden von den beiden „Spiegeln“ hin und her reflektiert, wodurch die einzelnen Ionenspezies voneinander getrennt werden.

Dabei hatten die Forscher allerdings mit zwei Hürden zu kämpfen. Je mehr Neutronen ein Kern besitzt, desto instabiler ist er. So haben die Atomkerne von Kalzium-53 und Kalzium-54 mit 33 und 34 Neutronen Halbwertszeiten von nur 460 beziehungsweise 90 Millisekunden. Zudem können sie nur in geringen Mengen produziert werden. Bei diesen Bedingungen stoßen die gängigen Ionenkäfige, die man zur Massenbestimmung von instabilen Atomkernen nutzt, an ihre Grenzen.

Langer Weg in kurzer Zeit

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Veröffentlicht: 29.06.2013, 08:00 Uhr