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Die Atomwaage besteht aus fünf aneinander gereihten Ionenfallen (gelbe Säule in der Mitte). In diesen baugleichen Fallen lassen sich Ionen im angeregten Quantenzustand und im Grundzustand im Vergleich messen. Bild: MPI für Kernphysik

Präzisionsmessung : Wie viel wiegt ein Quantensprung?

Physiker haben die Massenzunahme eines geladenen Atoms gemessen, wenn es über einen Quantensprung Energie aufnimmt. Der Effekt ist winzig. Er entspricht dem relativen Gewichtszuwachs eines sechs Tonnen schweren Elefanten, auf dem eine Ameise herumkrabbelt.

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          Wechselt ein Elektron in der Hülle eines Atoms von einem Energiezustand in einen anderen, nimmt es eine geringe Menge Energie (E) auf oder gibt sie ab. Gemäß Einsteins berühmter Beziehung E=m·c² (c ist die Lichtgeschwindigkeit) ändert sich dadurch die Masse (m) des Atoms. Es wird um einen winzigen Betrag schwerer oder leichter - je nachdem ob das Quantum Energie absorbiert wird oder emittiert wird. Physikern des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg ist es jetzt gelungen, diese minimale Massenänderung präzise zu messen.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Als Forschungsobjekte dienten zwei hochgeladene Rutheniumionen, die die Forscher um Klaus Blaum in jeweils einen Ionenkäfig sperrten. Darin liefen die beiden Teilchen auf charakteristischen Kreisbahnen um. Ein Ion befand sich im Grundzustand, das andere hatten die Forscher durch Energiezufuhr in einen langlebigen angeregten Zustand befördert. Letzteres besaß somit nach Albert Einstein auch eine geringfügig höhere Masse.

          Der Massenzuwachs spiegelte sich in der etwas geringeren Frequenz, mit der das schwere Ion im Vergleich zu seinem leichteren Partner im Grundzustand auf seiner Bahn kreiste. Indem die Forscher die Umlauffrequenzen der beiden Rutheniumionen präzise bestimmten und verglichen, konnten sie auf den Massenunterschied zwischen dem Teilchen im Grundzustand und dem im angeregten Zustand schließen.

          Dieser war äußerst gering. Der relative Massenzuwachs entsprach etwa dem einer Ameise, die auf einem ausgewachsenen, sechs Tonnen schweren  Elefanten herumkrabbelt, schreiben die Forscher um Blaum in der Zeitschrift „Nature“. Bei ihren Experimenten entdeckten die Physiker auch einen bislang unbekannten  Quantenzustand im Rutheniumion. Er ist metastabil, das heißt, er zerfällt erst nach einer bestimmten Zeit. Seine  Lebensdauer liegt theoretischen Berechnungen zufolge bei 130 Tagen. Dadurch könnte er für präzise Atomuhren von Interesse sein.

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