Elektronen und Kerne regen sich an

News: Elektronen und Kerne regen sich an

Normalerweise kümmern sich Elektronen nicht im Geringsten darum, was im Atomkern passiert. Denn im Inneren eines Atoms benötigen Übergänge Millionen Mal mehr Energie als zwischen den verschiedenen Elektronenzuständen. Einer japanischen Gruppe ist es jetzt aber gelungen, Atomkerne durch ihre Elektronen anzuregen, während eine europäische Kollaboration den umgekehrten Prozess beobachten konnte.

Schon seit Beginn der 70er Jahre haben Forschungsgruppen nach Kernanregung durch Elektronenübergänge (NEET) gesucht. Es gab zwar kleinere Erfolge, doch nie wirklich eindeutige Ergebnisse. Forscher vom Japan Synchrotronic Radiation Research Institute in Hyogo haben jetzt Gold-Atome mit 50 Picosekunden kurzen, monochromatischen Röntgenlichtpulsen bestrahlt. Dadurch regten sie die Elektronen an, die wiederum die zugehörenden Kerne anregten, so dass letztere innerhalb weniger Nanosekunden zerfielen. Die Wissenschaftler wiesen die Elektronen nach, die während des Zerfalls aus den Atomen herausgeschleudert wurden (Physical Review Letters vom 28. August 2000, Abstract ab 25. August 2000).

Auf diese Weise vermieden sie Probleme früherer Experimente, bei denen Kerne durch Elektronenbeschuss oder breitbandige Bestrahlung mit Röntgenlicht in einen angeregten Zustand übergingen. Zudem war die Zeitauflösung in dem japanischen Experiment so gut, dass die Forscher die Elektronen, die einige Nanosekunden nach der Bestrahlung aus dem Kernzerfall freigesetzt wurden, eindeutig nachweisen konnten. Früher hingegen gingen die Teilchen aus dem Zerfall meist in einem Strahlungsausbruch unmittelbar nach dem Röntgenpuls unter. Rolf Siemssen vom Argonne National Laboratory in Illinois hält die Arbeit für sehr überzeugend: "Das ist der erste eindeutige Beweis für Atomkernanregung durch Übergänge von Elektronen. Ihr Verfahren ist sehr fein – sie können diese kleinen Prozesse innerhalb eines enormen Photonenflusses direkt messen."

Eine andere Forschungsgruppe hat indes den umgekehrten Prozess beobachtet. Dabei übertragen angeregte Kerne ihre Energie auf die Elektronen, stoßen sie aber nicht aus. Dieser Vorgang heißt bound state internal conversion (BIC), interne Umwandlung in einem gebundenen Zustand. Bei normalen internen Umwandlungen zerfällt ein angeregter Kern, indem er seine Energie auf ein Elektron aus einer inneren Schale überträgt, wodurch dieses von dem Atom wegfliegt. Um es stattdessen festzuhalten, muss die Anregungsenergie des Kerns genau mit den Abständen zwischen den Energieniveaus der Elektronen übereinstimmen, erklärt Jean-François Chemin vom Centre d'études nucléaires de Bordeaux Gradignan. "Die möglichen angeregten Zustände in einem Atom sind voneinander getrennt, daher kann BIC nur unter ganz speziellen Bedingungen auftreten."

Um eine BIC zu beobachten, haben Chemin und seine Kollegen stark ionisierte Atome verwendet. "Die Anregungsenergie vom Kern ist konstant, aber die vom Elektron kann durch die Ladung eingestellt werden", erläutert der Wissenschaftler. Am GANIL-Schwerionen-Beschleuniger in Caen haben die Forscher 38-fach positiv geladene Tellur-Ionen gegen Thallium geschossen, welches deren Elektronen abstreifte und ihre Kerne auf ein Energieniveau von 35 Kiloelektronenvolt anregte. Danach wies das Team verzögerte Röntgenstrahlen nach, die charakteristisch dafür sind, dass Elektronen in freie Niveaus, die durch BIC entstanden sind, zurückfallen (Physical Review C vom August 2000, Abstract).

Die Forscher wollen durch ihre Experimente aber nicht nur mehr über Wechselwirkungen von Atomen und Kernen erfahren. Die beiden Prozesse spielen wohl auch in der Astrophysik eine Rolle. In heißen Plasmen im Universum könnten sich elektronische Vorgänge so auf Kernereignisse auswirken, dass die Elemente möglicherweise ganz anders entstanden sind, als Wissenschaftler bisher dachten.

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