Überblick

Einblick durch Gammaquanten

Die hochauflösende Gammaspektroskopie mit radioaktiven Teilchenstrahlen liefert vielfältige ­Erkenntnisse zu exotischen Atomkernen.

  • Jan Jolie, Peter Reiter und Nigel Warr
  • 12 / 2012 Seite: 37

Nur zehn Prozent der bekannten Atomkerne sind so stabil, dass sie in der Natur vorkommen. Vom großen Rest der instabilen Kernen kennen wir dagegen viele ­Eigenschaften überhaupt nicht. Da die Nukleosynthese der heute vorzufindenden Kerne, die vermutlich unter anderem in Supernovae stattfindet, gerade über sehr neutronenreiche instabile Nuklide verläuft, gilt es, deren Eigenschaften zu verstehen. Dabei stellt sich auch die grundlegende Frage, ob das Ordnungsschema der Kerne mit „magischen“ Zahlen in diesem Gebiet der Nuklidkarte gilt.

Seit den Arbeiten zum Wasserstoffatom vor rund hundert Jahren liefert die Spektroskopie von angeregten Zuständen grundlegende Einsichten in den Aufbau atomarer und subatomarer Materie. Dies gilt bis hin zu den schwersten Quarksystemen, die sich in der Kern- und Hadronenphysik spektroskopisch untersuchen lassen. Während bei der Atomspektroskopie die Energie der Photonen, die beim Zerfall der angeregten Zustände emittiert werden, im Bereich von eV liegen, erstreckt sich die Energieskala in der Kern- und Hadronenphysik bis hin zu GeV, also in den Bereich der Gammastrahlung und darüber hinaus. Bei niedrigen Anregungs­energien ermöglicht es der Nachweis der γ-Strahlung, die vielen Facetten der mesoskopischen Atomkerne zu beleuchten, die in stabilen und einer deutlich größeren Zahl von instabilen Nukliden existieren. Die möglichen Anregungen spiegeln zum einen den Aufbau der Kerne aus einzelnen Nukleonen wider, zum anderen sind sie auf kollektives Verhalten des gesamten Kerns zurückzuführen. Aktuelle Forschungsziele bestehen darin, diese unterschiedlichen Aspekte im Rahmen einer quanten­mechanischen Vielkörpertheorie konsis­tent zu beschreiben und die verschiedenen Kern­modelle zu vereinheitlichen. 
 
Heute sind rund 3000 Nuklide bekannt, von denen nur rund zehn Prozent stabil oder langlebig sind und somit in der Natur vorkommen. Bei einer Vielzahl der bekannten instabilen Kerne wissen wir wenig über die Eigenschaften. Somit ist der Vergleich mit theoretischen Modellen als Funktion des Neutronen- bzw. Protonenüberschusses nicht möglich. Darüber hinaus sagt die Theorie viele weitere, noch unentdeckte Nuk­lide vorher. Ähnlich wie bei der Elektronenhülle der Atome gruppieren sich auch in Kernen die Orbitale, welche die Nukleonen besetzen können, in Schalen. Wenn eine Schale gefüllt ist, ist besonders viel Energie nötig, um ein Nukleon über den Schalenabschluss hinaus zur nächsten Schale anzuheben und somit den Kern anzuregen. Die Protonen- bzw. Neutronenzahlen, die vollen Schalen entsprechen, werden „magisch“ genannt. Ob dieses Ordnungsschema auch für die noch unentdeckten Nuklide gilt oder ob andere Schalenabschlüsse auftreten, ist unbekannt. Daher sind Extrapolationen entlang der bekannten magischen Zahlen wichtig.  ...

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