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Kernphysik in Erklärungsnot : Atomkerne aus der Form geraten

  • -Aktualisiert am

Der geöffnete 8-Pi-Detektor am kanadischen Beschleunigerzentrum Triumf in Vancouver. Mit diesem Nachweisgerät wurden die stabilen Kadmiumisotope nachgewiesen. Bild: Triumf Lab

Der Theorie nach sollten stabile Atomkerne eine runde Form haben. Am kanadischen Forschungszentrum Triumf hat man jetzt zwei Ausreißer entdeckt. Diese bringen die Kernphysiker in Erklärungsnot.

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          Atomkerne werden, obwohl es sich meist um komplizierte physikalische Systeme handelt, gerne vereinfacht als kugelförmige Zusammenballungen von Protonen und Neutronen dargestellt. Dabei sind viele Atomkerne gar nicht rund, sondern weisen deutliche Deformationen auf. Das liegt am Spiel der Kräfte, die in diesen winzigen massiven Zentren aller Materie wirken: Die starke Kernkraft hält die Protonen und Neutronen zusammen, während die elektromagnetische Kraft für eine Abstoßung der positiv geladenen Protonen sorgt. Dabei gilt grob die Faustregel: Je weniger stabil ein Atomkern ist, desto stärker ist er deformiert. Die Kerne können dann etwa abgeflacht wie ein Diskus oder langgezogen wie ein Rugbyball sein. Dass auch besonders stabile Kerne bisweilen gar nicht kugelrund sind, hat jetzt eine internationale Forschergruppe herausgefunden.

          Ähnlich wie die Elektronen in der Atomhülle sitzen die Protonen und Neutronen im Atomkern auf Schalen. Kerne gelten als besonders stabil, wenn die Zahl ihrer Bausteine zwei, acht, 20 oder 28, 50 oder 82 beträgt. Bei diesen „magischen“ Zahlen ist eine Schale vollständig gefüllt und ein Atomkern besonders stabil. So ist der Heliumkern mit je zwei Protonen und Neutronen einer der stabilsten und häufigsten Atomkerne im Universum. Nach dem Lehrbuchwissen der Kernphysik sollten nun zumindest stabile Atomkerne in der Nähe abgeschlossener Schalen ziemlich kugelförmig sein.

          Beta-Zerfall liefert angeregte Kadmiumkerne

          Dieses Lehrbuchwissen ist nun in Bedrängnis geraten. Wie die umfangreichen Messungen der Forscher um Paul Garrett von der University of Guelph in Ontario zeigen, sind die stabilen Atomkerne des Elements Kadmium offenbar vielförmig deformiert. Die Experimente fanden an der „Isotope Separator and Accelerator Facility“ des kanadischen Teilchenbeschleunigerzentrums Triumf in Vancouver statt.

          Auch stabile Atomkerne können unterschiedlich stark deformiert sein.

          Die Forscher konzentrierten sich bei ihren Untersuchungen auf die stabilen Isotope Kadmium-110 und Kadmium-112 konzentriert, die aus 48 Protonen und 62 beziehungsweise 64 Neutronen bestehen. Die gewünschten Atomkerne erzeugten Garrett und seine Kollegen über den Beta-Zerfall radioaktiver Indium- und Silber-Kerne. Aufgrund der hohen Reaktionsenergie befanden sich die Zerfallsprodukte in angeregten Zuständen und gaben die überschüssige Energie schrittweise in Form von Gammastrahlung ab, bis sie in den Grundzustand übergegangen waren.

          Aufgrund der möglichen Vibrations- und Rotationszustände hinterließen die Kerne charakteristische Signale im Detektor, den die Wissenschaftler eigens für ihre Untersuchungen konzipiert hatten. Da man es mit stabilen Atomkernen zu tun hatte, mussten die Forscher bis zu einer Milliarde Beta-Zerfälle analysieren, bis sie ausreichend Ereignisse in ihrem Detektor registrierten.

          Gängige Kernmodelle in Erklärungsnot

          Anhand der Linien im Gammaspektrum konnten Garrett und seine Kollegen auf die Form der Atomkerne schließen. Das erstaunliche Ergebnis: Anstatt der erwarteten runden Gestalt wiesen die Linien auf eine Vielzahl von Formen hin, die die Kerne der beiden Kadmium-Isotope annehmen können. Vermutlich liegen bei den schwach angeregten Kernen vier verschiedene ellipsoide Formen vor – und das, obwohl die untersuchten Kadmiumisotope ganz in der Nähe einer abgeschlossenen Schale lägen, schreiben die Forscher in den „Physical Review Letters“.

          Der Grund für dieses unerwartete Verhalten könnte in den in gängigen Modellen bislang zu wenig berücksichtigten Korrelationen zwischen den Nukleonen liegen. So können wohl selbst Neutronen oder Protonen aus bereits abgeschlossenen Schalen miteinander paarweise Bindungen eingehen. Möglicherweise bilden sich auch heliumkernartige Strukturen aus zwei Protonen und Neutronen im Atomkern. Die gefüllten Schalen in den Atomkernen sind offenbar doch nicht ganz so abgeschlossen wie bisher angenommen. Nun will man prüfen, ob nicht auch die Atomkerne anderer stabiler Isotope eher einem Rugbyball oder einem Diskus ähneln als einer Kugel.

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