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Veröffentlicht: 10.03.2010, 06:00 Uhr

Atomphysik Schwere Kerne auf der Waage

Isoliert in einem Ionenkäfig, lassen sich nun auch die Massen der Elemente jenseits von Uran präzise messen, ohne Umweg über die Zerfallsprodukte.

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© Foto GSI Michael Block vor dem supraleitenden Magneten der Shiptrap-Apparatur, in dessen Innerem sich der Ionenkäfig befindet Fotos GSI

Die Masse eines Atomkerns zählt zu den wichtigsten physikalischen Größen, liefert sie doch Informationen über den Aufbau, die Struktur und die Stabilität des Kerns. Die Kernmassen geben auch Auskunft darüber, wie sich die Elemente im Inneren von Sternen gebildet haben. Doch ist es mitunter keine leichte Aufgabe, die Masse eines Atomkerns präzise zu ermitteln. Das galt bisher insbesondere für radioaktive Atomkerne, die schwerer sind als Uran. Deren Masse konnte bislang nur indirekt über die Zerfallsprodukte des Kerns berechnet werden, was zum Teil mit großen Unsicherheiten verbunden war.

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Erschwerend kommt hinzu, dass solche Nuklide künstlich erzeugt werden müssen und zum Teil nur Bruchteile von Sekunden leben. Eine internationale Forschergruppe hat nun eine "Waage" für schwere Elemente entwickelt. Damit ist es ihnen erstmals gelungen, die Massen von drei Isotopen des radioaktiven Elements Nobelium ohne Umweg über die Zerfallsprodukte zu bestimmen.

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Das Element Nobelium, erstmals 1957 bei Kernreaktionen erzeugt, gehört zur chemischen Gruppe der Transurane. Sein Atomkern, der aus 102 Protonen besteht, besitzt zehn Protonen mehr als Uran, das schwerste natürlich vorkommende Element. Zur Bestimmung der Masse von Transuranen werden üblicherweise die beim radioaktiven Zerfall freigesetzte Energie und die Massen der leichteren, wägbaren Zerfallsprodukte gemessen - ein bisweilen unsicheres Verfahren, da ein Teil der Energie als Anregungsenergie in den entstehenden Atomkernen bleibt und sich somit der Massenbestimmung entzieht.

ionenkäfig 2 © Foto GSI Vergrößern Die Ionenfalle, zum Größenvergleich mit Feuerzeug

In der Schwebe

Einen Ausweg bietet nun die Waage, die Forscher von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt gemeinsam mit Physikern der Universitäten Mainz, Greifswald und Gießen sowie des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg entwickelt haben. Ihr entscheidender Vorteil: Man kann damit die Masse von Atomkernen und damit deren Bindungsenergie direkt mit der Masse von stabilen Atomen, die extrem genau bekannt sind, vergleichen.

Das zentrale Element der "Waage" ist ein Ionenkäfig, in dem geladene Teilchen mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder in der Schwebe gehalten werden. Zur Bestimmung der Masse ermittelt man die sogenannte Zyklotronfrequenz. Diese gibt an, wie schnell die Teilchen im Magnetfeld kreisen. Da die Frequenz direkt von der Teilchenmasse abhängt, lässt sich die Masse aus der gemessenen Zyklotronfrequenz ermitteln.

Zur Herstellung der Nobeliumionen haben die Forscher um Michael Block immer wieder energiereiche Kalziumionen auf eine Bleifolie geschossen. Trafen dabei Kalziumkerne auf Bleikerne, kam es zu einer Fusion, in deren Folge hin und wieder auch Nobeliumionen entstanden, deren Kerne aus 102 Protonen und aus 150, 151 oder 152 Neutronen aufgebaut waren. Die Halbwertszeiten der drei Radionuklide waren mit 2,3 Sekunden, 1,7 Minuten und 55 Sekunden für die direkte Massenbestimmung lang genug. Allerdings war die Rate, mit der diese Isotope erzeugt wurden, äußerst gering. Pro Sekunde wurde im Mittel nur ein Nobeliumion produziert. Da die Ionen obendrein viel zu schnell waren, mussten sie für die Massenmessung präpariert werden. Dazu bediente man sich einer speziellen Gaszelle, in der Teilchen durch Stöße mit Heliumatomen abgebremst wurden. Nach einer schnellen Vorselektion ließ man nur Ionen eines bestimmten Nobeliumisotops in den Ionenkäfig eintreten, wo sie schließlich "gewogen" wurden.

Suche nach den Inseln der Stabilität

Die Forscher um Block haben auf diese Weise die Massen von insgesamt drei Isotopen des Elements Nobelium mit einer Genauigkeit von wenigen Millionstel Prozent bestimmt, wie sie in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 463, S. 785) berichten. Die Werte sind damit eine Größenordnung genauer als diejenigen aus herkömmlichen Methoden. Wollte man einen Menschen mit ähnlicher Präzision wiegen, müsste die Personenwaage bis auf Milligramm genau messen.

Die Forscher wollen nun ihr Messverfahren verfeinern, so dass sie noch schwerere Atomkerne wiegen können. Ihr Ziel ist es, bis zur sogenannten Insel der Stabilität auf der Nuklidkarte vorzudringen. Damit bezeichnet man künstliche schwere Atomkerne, die theoretischen Berechnungen zufolge bis zu Minuten oder vielleicht Stunden leben, bevor sie zerfallen. Die benachbarten Kerne existieren nur für Millisekunden oder kürzere Zeit.

Die Experimentatoren sind von diesem Eiland allerdings noch ein gutes Stück entfernt. Man erwartet es bei Atomkernen, die etwa 120 Protonen und 184 Neutronen besitzen. Die bislang schwersten erzeugten Atomkerne haben 118 Protonen und 176 Neutronen. Deren Produktionsrate ist mit einem Teilchen pro Woche allerdings zu gering, die Halbwertszeit zu kurz, um ihre Masse mit einem Ionenkäfig messen zu können. "Das neue Wägeverfahren für schwere Atomkerne erlaubt es aber schon jetzt, die theoretischen Modelle der Kernphysik zu testen und damit Voraussagen über die genaue Lage der Insel der Stabilität machen", sagt Michael Block.

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