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Isotope: Kalzium am Rande der Existenz

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Ein europäisches Forscherteam hat am Genfer Kernforschungszentrum Cern eine Waage für exotische Atomkerne entwickelt und damit die Massen zweier kurzlebiger Kalziumisotope bestimmt. Damit soll es in Zukunft gelingen, die Synthese schwerer Elemente in Supernovae besser zu modellieren. Auch hoffen die Forscher, neue "magische" Zahlen in der Nuklidkarte der Kernphysik aufzuspüren.

Weniger als 300 der etwa 3000 bekannten Atomkerne sind stabil. Besonders faszinieren Physiker "magische" Nuklide – sie bestehen aus einer charakteristischen Anzahl von Protonen oder Neutronen, was sie ungewöhnlich stabil macht. Die Nukleonen in einem Sauerstoffkern aus acht Neutronen und acht Protonen sind beispielsweise fester gebunden als in Atomkernen mit sieben oder neun Neutronen. Physiker erklären das damit, dass sich die Nukleonen in dem Sauerstoffkern in abgeschlossenen "Schalen" anordnen – ähnlich wie die Elektronen in den Hüllen von Edelgasatomen.

Bisher kennen Physiker sieben magische Zahlen: 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. Frühere Experimente hätten Hinweise darauf geliefert, dass für Neutronen auch die Zahl 32 magisch sein könnte, schreibt das europäische Forscherteam um Hauptautor Frank Wienholz von der Universität Greifswald [1]. Andere Studien hatten nahe gelegt, dass sich die magischen Zahlen von bestimmten Isotopen verschieben, wenn diese besonders viele Neutronen enthalten. Verantwortlich könnten Wechselwirkungen zwischen jeweils drei Nukleonen sein, da sie die Bindungsenergie der einzelnen Nukleonen erhöhen.

Kalzium gilt als perfektes Element, um diesen Effekt zu studieren. Das silbrig weiße Metall kommt mit genau 20KalziumProtonen daher, die eine abgeschlossene Schale bilden. Indem man Kalziumisotope mit unterschiedlicher Neutronenzahl vergleicht, kann man also viel über die Wechselwirkung zwischen den Neutronen lernen – und die Frage beantworten, wie viele von ihnen sich jeweils zu einer abgeschlossenen Schale zusammenfinden.

Im vergangenen Jahr lieferten Messungen mit Kalzium-51 und Kalzium-52 Hinweise darauf, dass sich bei 32 Neutronen eine Schale schließt [2]. Die neue Studie bestätigt diese Vermutung, schreibt das europäische Forscherteam. Die Kernphysiker sind unter anderem am Darmstädter Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI), dem Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik, der Universität Greifswald sowie den Technischen Universitäten in Darmstadt und Dresden beheimatet.

Die Forscher bestimmten die Massen der kurzlebigen Isotope Kalzium-53 und Kalzium-54. Mit den gängigen Waagen für den Mikrokosmos war das nicht möglich: Normalerweise analysieren Physiker die Masse von Atomkernen mit Hilfe sogenannter Penningfallen – sie setzen ein geladenes Teilchen einem starken Magnetfeld aus, woraufhin es charakteristische Kreisbewegung vollzieht, deren Frequenz proportional zum Verhältnis aus Masse und Ladung des Partikels ist.

Die Isotope Kalzium-53 und Kalzium-54 haben nur eine Halbwerstzeit von 461 respektive 90 Millisekunden und können obendrein nur in sehr kleinen Mengen erzeugt werden. Die Forscher entwickelten daher ein neues Messverfahren: Am Genfer Proton-Synchrotron PSB produzierten sie die seltenen Atomkerne, indem sie Uran-Carbide spalteten. Anschließend fingen sie mit zwei elektrostatischen "Spiegeln" ein. In dieser am Massenspektrometer ISOLDE installierten Falle legten die kurzlebigen Atomkerne insgesamt eine mehrere Kilometer lange Strecke zurück, wobei die genaue Flugzeit von der Masse der Partikel abhängt.

Die Ergebnisse bestätigten, dass sich bei 32 Neutronen im Kalzium tatsächlich eine Schale schließe, schreiben die Autoren. Alexandra Gade vom National Superconducting Cyclotron Laboratory lobt in einem Begleitkommentar die entwickelte Methode: Sie werde vermutlich Vorbildcharakter beim Messen der Masse extrem kurzlebiger Isotope haben und von anderen Laboren übernommen werden.

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