Magische Neutronenzahl exotischer Atomkerne bestätigt

  • 22. May 2015

Durch Ionen-Pingpong im Flugzeit­spektro­meter Bindungs­energien exoti­scher Kalium­isotope ermittelt.

Einem internationalen Wissenschaftlerteam ist es erstmals gelungen, die Bindungs­energien von Atomkernen der exotischen Kaliumisotope 52K und 53K massen­spektro­metrisch zu bestimmen. Die Messungen am europäischen Forschungs­zentrum CERN erfolgten mit einem an der Uni Greifswald gebauten Flugzeitspektrometer. Die Resultate ergänzen Untersuchungs­ergebnisse, die vor zwei Jahren bei den entsprechenden Kalzium­isotopen erzielt wurden. Sie bestätigen die damals ermittelte neue magische Neutronen­zahl 32.

Skizze des Multireflektions-Flugzeit-Massenspektrometers (Bild: Frank Wienholtz, EMAU)

Abb.: Skizze des Multireflektions-Flugzeit-Massenspektrometers
(Bild: Frank Wienholtz, EMAU)

Kerne mit abgeschlossenen Schalen, wie für stabiles Kalzium, Zinn oder Blei bei den Protonen­zahlen 20, 50 bzw. 82, haben vergleichs­weise hohe Bindungs­energien. Im Zusammen­hang mit diesen besonderen schalen­stabili­sierten Kernen spricht man auch von den „magischen“ Protonen- und Neutronen­zahlen. Im Bereich der stabilen und langlebigen Kerne sind diese magischen Zahlen, nämlich 8, 20, 28, 50, 82 und 126, schon seit Jahrzehnten bekannt. Inzwischen zeigt sich aber, dass die Stabilitätsverhältnisse – und damit auch die Werte der magischen Zahlen – umso größeren Veränderungen unterworfen sind, je weiter man in die Gebiete der exotischen Kerne vorstößt. Als exotische Kerne bezeichnet man die kurzlebigen, also solche, die schon in wenigen Stunden, Minuten, Sekunden oder nur Bruchteilen davon zerfallen.

Vor zwei Jahren konnte mit dem Spektrometer ISOLTRAP am CERN ein neuer Neutronen­schalen­abschluss massen­spektro­metrisch nachgewiesen werden. Damals wurden die Massen und damit die Bindungs­energien der exotischen Kalzium­isotope mit 33 und 34 Neutronen untersucht. Es zeigte sich, dass diese Isotope besonders kleine Neutronen­separations­energien besitzen, das heißt, dass der Energieaufwand zum Abtrennen eines beziehungs­weise zweier Neutronen besonders klein ist, verglichen mit dem Kalzium­isotop mit 32 Neutronen. Damit ließ sich die Neutronen­zahl 32 als magische Zahl für exotische Kalzium­kerne sicher bestimmen.

Allerdings blieb die spannende Frage, ob es sich hier um einen Einzelfall handelt oder eine weiter­gehende Systematik vorliegt, das heißt, ob dieser Neutronen­schalen­abschluss auch bei anderen Elementen vorliegt. Immerhin ist ja Kalzium ein besonderes Element, da schon seine Protonen­zahl, nämlich Z = 20, magisch ist. Das ISOLTRAP-Team knüpfte jetzt hier an, indem es die Kalzium-Unter­suchungen auf das Nachbarelement Kalium erweiterte. Dessen Atome besitzen ein Proton weniger. Wieder mussten die Kerne mit N = 33 und 34 Neutronen untersucht werden. Allerdings war jetzt der Neutronen­überschuss gegenüber den Protonen noch größer als schon beim Kalzium. Dieser Überschuss ist ebenfalls ein Maß dafür, wie exotisch die Kerne sind. Hatten schon die beiden Kalzium­isotope Halbwerts­zeiten von nur einer halben bzw. einer zehntel Sekunde, so verringerten sie sich nun beim Kalium auf nur eine zehntel bzw. eine dreißigstel Sekunde. Als besondere Heraus­forderung kam hinzu, dass es schwieriger wurde, diese Teilchen in ausreichender Anzahl durch Kernreaktionen für die Massen­messungen zu erzeugen.

Aber sowohl die kurze Halbwertszeit als auch die geringe Teilchenzahl reichten immer noch aus für die Präzisionsmessungen mit dem „Multi­reflexions-Flugzeit­massen­spektrometer“, das von den Greifs­walder Partnern zur ISOLTRAP-Apparatur beigesteuert wurde. Dessen Messprinzip, die Flugzeit­massen­methode, ist schnell erklärt: Alle Ionen erfahren die gleiche Kraft und werden daher bei unter­schiedlicher Masse entsprechend unter­schiedlich beschleunigt. Die unterschiedlichen Beschleunigungen führen zu entsprechenden Geschwindigkeiten in einer kräfte­freien Driftstrecke, und die Teilchen kommen gemäß ihren Massen nacheinander am Detektor an – zunächst die leichten und später die schweren: So entsteht ein Massen­spektrum. Bei den meisten Flugzeit­massen­spektrometern beschränken sich die Drift­strecken auf etwa einen Meter Länge. Beim ISOLTRAP-Spektro­meter wird aber ein Trick angewendet: Die zu unter­suchenden Teilchen werden zwischen zwei „Ionen­spiegeln“ mehrere hundert bis tausend Mal hin und her reflektiert. So können in der Messapparatur trotz einer Länge von nur einem Meter kilometerlange Drift­strecken erreicht werden. Und dieses „Ionen-Pingpong“ dauert nur wenige Milli­sekunden – ein weiterer Vorteil gegenüber alternativen Methoden der Massen­messung.

Marco Rosenbusch an einem ähnlichen Multireflektions-Flugzeit-Massenspektrometer im Institut für Physik der Universität Greifswald (Bild: B. Schabinger, EMAU)

Abb.: Marco Rosenbusch an einem ähnlichen Multireflektions-Flugzeit-Massenspektrometer im Institut für Physik der Universität Greifswald
(Bild: B. Schabinger, EMAU)

Begleitend zu den ISOLTRAP-Experimenten haben Kollegen in Frankreich, Großbritannien und Kanada theoretische Untersuchungen zu den Kaliumkernen durchgeführt. Auch hierbei gab es im Vergleich zum Kalzium vor zwei Jahren neue Heraus­forderungen, insbesondere aufgrund der ungeraden Protonenzahl. Die jetzt verwendeten neuesten Berechnungs­methoden, die auf Gorkov-Green-Funktionen basieren, führten zu einer guten Überein­stimmung mit den Messwerten.

Mit den bisherigen Experimenten sind die Untersuchungen der magischen Neutronenzahl 32 bei weitem noch nicht abgeschlossen. Insbesondere besteht ein großes Interesse an Messungen bei Scandium und den nächsten Nachbar­elementen. Darüber hinaus dürfen wir auf Ergebnisse von weiteren neuen magischen Zahlen in anderen Bereichen der Nuklidkarte gespannt sein.

EMAU / OD

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