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Nuklide auf der Waage : Pingpong mit exotischen Atomkernen

Die Wissenschaftler mussten deshalb ein empfindliches Verfahren entwickeln, mit dem sie kurzlebige Atomkerne wiegen können, noch bevor diese zerfallen sind. Die Lösung bot ein in Greifswald entwickeltes Flugzeit-Massenspektrometer. Darin werden die ionisierten Kalziumatome, an deren Kernen man interessiert war, von zwei elektrostatischen Spiegeln wie Pingpong-Bälle viele tausend Mal hin- und her reflektiert. Dadurch durchlaufen sie in dem nur knapp einen Meter langen Gerät eine Strecke von bis zu mehreren Kilometern, bevor sie von einem Detektor registriert werden. Da ein schwereres Teilchen langsamer fliegt als ein leichteres, lässt sich seine Masse aus der gemessenen Flugzeit präzise ermitteln. Für ihren Flug benötigen die Ionen nur wenige Millisekunden -kurz genug, um auch fragile Kerne wie die schweren Kalziumisotope einer Massenmessung zu unterziehen.

Blick in die Experimentierhalle von Isolde
Blick in die Experimentierhalle von Isolde : Bild: Cern

Isotope wie am Fließband

Als Quelle für die exotischen Kalziumkerne nutzten die Forscher die Isotopenfabrik „Isolde“ des Forschungszentrums Cern. Dort werden neutronenreiche Atomkerne dadurch erzeugt, dass man energiereiche Protonen auf Uran-Karbid schießt, dessen Atomkerne in zahlreiche Bruchstücke zerfallen. Wie die Forscher um Wienholtz in der Zeitschrift „Nature“ (Bd. 498, S. 346) berichten, ist es ihnen mit dem Flugzeitspektrometer gelungen, die Massen von mehreren neutronenreichen Isotopen des Erdalkalimetalls zu bestimmen - die von Kalzium-53 und Kalzium-54 sogar zum ersten Mal. Als man aus den Daten die Bindungsenergien ermittelte, zeigte der Atomkern mit 32 Neutronen gegenüber den anderen Isotopen eine deutliche Überhöhung. „Für uns ein klares Zeichen, dass wir es offenkundig mit einem vergleichsweise stabilen Atomkern zu tun haben, der eine abgeschlossene Neutronenschale besitzt“, sagt Lutz Schweikhard aus Greifswald.

Der Einfluss von Dreikörperkräften

Dass 32 zu den magischen Zahlen zählt, zeigen auch Berechnungen von Theoretikern der Technischen Universität Darmstadt. Achim Schwenk und seine Kollegen haben für ihre Berechnungen das Schalenmodell modifiziert, indem sie nicht nur die Wechselwirkung zwischen jeweils zwei, sondern auch die Kräfte zwischen jeweils drei Kernbausteinen betrachteten, was die Verhältnisse im Atomkern realistischer beschreibt.

Frank Wienholtz (links) und Lutz Schweikhard am Experiment Isoltrap des Cern
Frank Wienholtz (links) und Lutz Schweikhard am Experiment Isoltrap des Cern : Bild: privat

Schnell, empfindlich  und präzise

Die Messungen, an denen auch Wissenschaftler aus Dresden, Heidelberg, Leuven und Istanbul beteiligt waren, nahmen nur wenige Stunden in Anspruch - ein Vorteil gegenüber dem gängigen Verfahren, bei dem man die Masse eines Atomkerns aus der Umlauffrequenz ermittelt, mit der die Teilchen in einem Ionenkäfig um ein magnetisches Feld kreisen. Man benötigt für ein aussagekräftiges Signal mitunter Tage. „Unsere Messmethode ist zudem so empfindlich, dass wir für eine Massenmessung, im Prinzip nur einige wenige Ionen benötigen“, sagt Frank Wienholtz.

Auf dem Weg zu einem universellen Kernmodell

Der Physiker aus Greifswald ist sich sicher, dass das Verfahren schon bald auch von anderen Forschergruppen angewendet wird, die ebenfalls kurzlebige Atomkerne erforschen. „Die Methode eignet sich nicht nur zur Präzisionsmassenmessung sondern auch zur Trennung verschiedener kurzlebiger Atomkerne, die die gleiche Massenzahl besitzen, aber zu unterschiedlichen Elementen gehören“, ergänzt Lutz Schweikhard. Damit werden radioaktive Zerfälle von exotischen Nukliden leichter zugänglich. Dank der Arbeiten der Forscher um Wienholtz könnten die experimentellen Grundlagen für einen langgehegten Wunsch geschaffen werden: ein universelles theoretisches Modell, das die Eigenschaften aller bekannten Atomkerne perfekt voraussagt.

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