Überblick

Schnelle Ionen im Laserlicht

Wilfried Nörtershäuser

  • Die Laserspektroskopie exotischer Atomkerne liefert wichtige Beiträge zum Verständnis der Kernstruktur.
  • 05 / 2018 Seite: 33

Aus der Hyperfeinstruktur atomarer optischer Spektren lassen sich die Ladungsradien und elektromagnetischen Momente der Atomkerne bestimmen. Laserspektroskopische Methoden sind auch für kurzlebige exotische Isotope mit sehr geringen Produktionsraten ausreichend empfindlich. Die Daten dienen als wichtige Richtgrößen für den Test und die Weiterentwicklung theoretischer Kernmodelle – und sind immer wieder für eine Überraschung gut.

Massen und Radien sind die fundamentalsten Eigenschaften der Atomkerne: Ein tiefes Verständnis der Kernstruktur erfordert daher, sie präzise bestimmen zu können. Ernest Rutherford und Ernest Marsden haben vor etwas mehr als hundert Jahren die Größe von Goldkernen mittels der Streuung von α-Teilchen gemessen. Die registrierten Zählraten waren bei großen Streuwinkeln und hohen Teilchen­energien geringer als vorhergesagt, weil bei sehr kleinen Abständen die starke Wechselwirkung einsetzt. Daraus ergaben sich Kernradien von einigen Femtometern. Deutlich genauer lässt sich die Ladungsverteilung des Kerns mit elektromagnetischen Sonden vermessen. Besonders geeignet sind die strukturlosen Elektronen und Myonen: Ab den 1950er-Jahren gelang es mit elastischer Elektronenstreuung, die Radien nahe­zu aller stabilen Kerne zu bestimmen. Zusätzliche Informationen lieferte die Spektroskopie von Röntgenübergängen in myonischen Atomen [1]. Als Funktion der Massenzahl verhält sich der Ladungsradius Rc wie Rc = R03 √ A ​ mit der Konstanten R0 ≈ 1,24 fm, die je nach Messmethode leicht variiert. Das Kernvolumen ist demnach proportional zur Massenzahl A = N + Z, sodass die Materiedichte im Kerninneren als annähernd konstant gelten kann. Für kurzlebige Kerne eignen sich diese Methoden im Allgemeinen nicht, obwohl es erst jüngst in Japan gelungen ist, die elastische Elektronenstreuung für radioaktive Kerne in einem Speicherring einzusetzen [2]. Ähnliche Pläne gibt es auch für die im Bau befindliche Beschleunigeranlage FAIR am GSI Helmholtzzentrum für Schwer­ionenforschung in Darmstadt. (...)

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