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Nuklide auf der Waage : Pingpong mit exotischen Atomkernen

Ionen-Pingpong zur Massenbestimmung von exotischen Kalziumkernen Bild: Grafik Frank Wienholtz, Uni Greifswald

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.

          4 Min.

          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.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          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.

           Schema des Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers. Die Ionen werden von den beiden „Spiegeln“ hin und her reflektiert, wodurch die einzelnen Ionenspezies voneinander getrennt werden.
          Schema des Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers. Die Ionen werden von den beiden „Spiegeln“ hin und her reflektiert, wodurch die einzelnen Ionenspezies voneinander getrennt werden. : Bild: Grafik Frank Wienholtz, Uni Greifswald

          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

          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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