Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf dem Weg zu den schweren Elementen. Kurzlebige Cadmiumisotope in der Falle

07.12.2015

Einem internationalen Wissenschaftlerteam mit Greifswalder Beteiligung ist es erstmals gelungen, die Bindungsenergien von Atomkernen der exotischen Cadmiumisotope 129Cd, 130Cd und 131Cd massenspektrometrisch zu bestimmen. Die kurzlebigen Teilchen mit Halbwertszeiten von lediglich Sekundenbruchteilen wurden am Ionenseparator ISOLDE des europäischen Forschungszentrum CERN http://home.cern/ hergestellt und mit einer Penningionenfalle http://de.wikipedia.org/wiki/Penning-Falle bzw. einem Multireflexions-Flugzeitspektrometer http://de.wikipedia.org/wiki/Flugzeitmassenspektrometer vermessen.

Die Resultate bestätigen die erwartete magische Neutronenzahl N=82 und sind von großer Bedeutung für Simulationsrechnungen zum Verständnis der Herkunft der chemischen Elemente im Bereich von Zinn bis Barium, die im Sonnensystem vergleichsweise häufig auftreten. Über die Messergebnisse und begleitende Berechnungen berichtet das internationale Fachmagazin Physical Review Letters http://journals.aps.org/prl/ in seiner jüngsten Ausgabe (2. Dezember 2015).


Die Doktoranden Dinko Atanasov (Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, rechts) und Frank Wienholtz (Uni Greifswald)

Foto: Maxime Mougeot

Wir sind Sternenstaub – nur Wasserstoff und Helium waren schon kurz nach dem Urknall vorhanden; alle anderen Elemente entstanden und entstehen noch immer in den Sternen. Bis etwa zum Eisen können die Atomkerne im Innern der Sterne heranwachsen.

Darüber wird es komplizierter, da beim Aufbau schwererer Kerne nicht etwa Energie freigesetzt, sondern in die Ausgangskerne hineingesteckt werden muss. Explosive, das heißt sehr energiereiche Sternprozesse, wie zum Beispiel Supernovae oder das Zusammentreffen von Neutronensternen und schwarzen Löchern, können die benötigten Energien zur Verfügung stellen. Dabei werden Neutronen an den Ausgangskernen angelagert.

Der so erzeugte Neutronenüberschuss führt im Allgemeinen zum Betazerfall, das heißt eine Kernumwandlung mit Erhöhung der chemischen Ordnungszahl bei gleichzeitiger Aussendung eines Elektrons. Wo und wie diese Prozesse stattfinden, ist allerdings noch unklar und Gegenstand aktueller Forschung der nuklearen Astrophysik. In diesem Zusammenhang sind experimentelle Daten über die involvierten, zum Teil extrem kurzlebigen Kerne von großem Interesse.

Nun ist es Forschern der ISOLTRAP-Kollaboration http://isoltrap.web.cern.ch/isoltrap/ mit Mitgliedern des CERN http://home.cern/, des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg http://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/start/, des Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt http://www.gsi.de/start/aktuelles.htm sowie von Universitäten in Dresden http://tu-dresden.de/, Greifswald http://www.uni-greifswald.de/, Istanbul (Türkei) http://www.istanbul.edu.tr/, Manchester (Großbritannien)http://www.manchester.ac.uk/ und Paris-Sud (Frankreich) http://www.u-psud.fr/ gelungen, wichtige experimentelle Bausteine für die Simulationen möglicher Szenarien der Nukleosynthese beizusteuern. Diese Eingangsdaten wurden daraufhin von Theoretikern des Instituts für Astronomie und Astrophysik der Freien Universität Brüssel http://www.vub.ac.be/en/ und des Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching http://www.mpa-garching.mpg.de/ für die solche Simulationen der Kernreaktionen aufgegriffen.

Ähnlich wie die Elektronen in der Atomhülle befinden sich auch die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht, auf bestimmten energetischen Schalen. Immer dann, wenn eine solche Schale gerade vollständig aufgefüllt ist, ist der Atomkern besonders stabil. In diesem Zusammenhang spricht man von magischen Protonen bzw. Neutronenzahlen. Eine solche magischen Neutronenzahl ist auch N=82. Da Cadmiumkerne per Definition Z=48 Protonen haben, findet man für dieses Element also bei der Massenzahl A=Z+N=130 eine besondere Konfiguration der Neutronen.

Aufgrund der erhöhten Stabilität der Kerne mit magischen Zahlen werden gerade sie in den explosionsartigen Sternphasen besonders oft gebildet, sodass ihr Vorkommen trotz der ständigen Umwandlungsprozesse erhöht ist. Man nennt sie aufgrund ihres erhöhten Vorkommens auch Wartepunkt-Kerne. Später, das heißt nach dem Abklingen der Stern-explosion, wandeln sich die Wartepunkt-Kerne über Betazerfälle in den oben genannten Bereich des periodischen Systems der Elemente um – mit dem gehäuften Auftreten bei Massenzahlen um A=130.

Bisher kannte man lediglich die Kernmasse von 130Cd, wobei diese jedoch auch nur indirekt aus Kernreaktionswerten abgeleitet war. Die Massen der Nachbarisotope 129Cd und 131Cd waren noch gar nicht gemessen. Der ISOLTRAP-Kollaboration gelang dies nun mit Hilfe des an der Universität Greifswald gebauten Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers. Es wurde dafür in zwei unterschiedlichen Anwendungsmodi betrieben, die schon vor kurzem bei anderen Experimenten erfolgreich eingesetzt werden konnten (siehe auch die Medieninformation „Präzisionsmassenmessung im Labor gewährt Blick in die Kruste von Neutronensternen“ http://idw-online.de/de/news516617 bzw. „Mit Ionen-Pingpong Kräfte in Atomkernen sichtbar gemacht“ http://idw-online.de/de/news539615 und „Mit Ionen-Pingpong magische Neutronenzahl exotischer Atomkerne bestätigt“ http://idw-online.de/de/news631423):

Für die Isotope 129Cd und 130Cd, die nicht nur länger leben, sondern auch mit Raten von über tausend Teilchen pro Sekunde hergestellt werden konnten, wurde das Flugzeitmassenspektrometer zur Selektion der Cadmiumisotope aus dem Gemisch der häufiger erzeugten Isobaren eingesetzt. Darunter versteht man Atomkerne mit fast gleicher Masse. Sie haben die gleiche Gesamtnukleonenzahl A=Z+N, unterscheiden sich aber im jeweiligen Anteil der Z Protonen und N Neutronen.

Das Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers von ISOLTRAP konnte die gewünschten 129Cd- und 130Cd-Kerne aus dem Isobarengemisch herausfischen und damit für die Massenspektrometrie in einer Penningionenfalle vorbereiten. Beim Isotop 131Cd war die Produktionsrate allerdings etwa eine Größenordnung kleiner und reichte daher in der gegebenen Experimentierzeit für die Penningfallen-Untersuchung nicht aus. Hier kam das Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer selbst bei der Massenbestimmung zum Zuge. Es ist zwar mit „nur“ etwas besser als ein Millionstel an Unsicherheit nicht ganz so genau wie die Penningfalle, dafür kann die Messung aber schneller und mit weniger Teilchen durchgeführt werden.

Nur so konnte die magische Neutronenzahl dann auch überschritten werden. Dies ist insofern von großer Bedeutung, da erst damit der energetische Abstand zwischen der gefüllten und der darauf folgenden Neutronenschale bestimmt werden konnte, in der ja nun ein erstes Neutron eingelagert wurde. Mit anderen Worten, man kennt nun also die Energie, die notwendig ist, um das zusätzliche Neutron vom 131Cd zu entfernen und so wieder zu dem stabileren 130Cd zu gelangen. Wie erwartet zeigte sich, dass der energetische Schalenabstand beim Cadmium kleiner ausfällt als beim schon bekannten Zinn.

Dieses Element hat nämlich zusätzlich auch eine magische Protonenzahl (Z=50), während beim Cadmium (Z=48) die Protonenschale noch nicht abgeschlossen ist. Der erhöhte Neutronenschalen-Energieabstand beim Zinn ist eine Folge davon, dass sich die N- bzw. Z-Schaleneffekte gegenseitig verstärken – wie von der ISOLTRAP-Kollaboration erst kürzlich auch beim Element Calcium bei einer kleineren magischen Neutronenzahl beobachtet (siehe nochmals die Medieninformation „Mit Ionen-Pingpong magische Neutronenzahl exotischer Atomkerne bestätigt“ http://idw-online.de/de/news631423).

Die beteiligten deutschen Arbeitsgruppen wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Förderung der ISOLTRAP-Kollaboration unterstützt (Fördernummern 05P12HGCI1, 05P12HGFNE, 05P15HGCIA, 05P09ODCIA, siehe auch Pressemitteilung „Über zwei Millionen Euro für Erforschung exotischer Atomkerne am CERN“ http://idw-online.de/de/news634638) bzw. über die Max-Planck-Gesellschaft.

Weitere Informationen

Originalveröffentlichung
Precision Mass Measurements of 129–131Cd and Their Impact on Stellar Nucleosynthesis via the Rapid Neutron Capture Process, D. Atanasov, P. Ascher, K. Blaum, R.B. Cakirli, A. S. George, S. Goriely, F. Herfurth, H.-T. Janka, O. Just, M. Kowalska, S. Kreim, D. Kisler, Yu. A. Litvinov, D. Lunney, V. Manea, D. Neidherr, M. Rosenbusch, L. Schweikhard, A. Welker, F. Wienholtz, R.N. Wolf, K. Zuber, Phys. Rev. Lett. 115, 232501 (2015)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.115. 232501

Foto: Die Doktoranden Dinko Atanasov (Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, rechts) und Frank Wienholtz (Universität Greifswald) auf der obersten Plattform der dreistöckigen ISOLTRAP-Apparatur in der ISOLDE-Experimentierhalle am CERN – Foto: Maxime Mougeot
Das Foto kann für redaktionelle Zwecke im Zusammenhang mit dieser Pressemitteilung kostenlos heruntergeladen und genutzt werden. Dabei ist der Name des Fotografen zu nennen. Download: http://tinyurl.com/o7mpaev

Veröffentlichungen zum Thema
https://idw-online.de/de/news631423 Mit Ionen-Pingpong magische Neutronenzahl exotischer Atomkerne bestätigt
https://idw-online.de/en/news631425 Ion Pingpong confirms magic neutron number of exotic atomic nuclei
https://idw-online.de/de/news539615 Mit Ionen-Pingpong Kräfte in Atomkernen sichtbar gemacht
https://idw-online.de/en/news539611 Ion ping pong reveals forces in atomic nuclei
https://idw-online.de/de/news516617 Präzisionsmassenmessung im Labor gewährt Blick in die Kruste von Neutronensternen
https://idw-online.de/en/news516628 Laboratory Mass Measurement deepens Insight into Neutron Star Crusts
https://idw-online.de/de/news634638 Über zwei Millionen Euro für Erforschung exotischer Atomkerne am CERN

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Frank Wienholtz und
Prof. Dr. Lutz Schweikhard (Leiter der Greifswalder Arbeitsgruppe)
Institut für Physik der Universität Greifswald
Felix-Hausdorff-Straße 6, 17489 Greifswald
Telefon 03834 86-4700
wienholtz@physik.uni-greifswald.de bzw. lschweik@physik.uni-greifswald.de
http://www.physik.uni-greifswald.de

Dipl.-Phys. Dinko Atanasov und
Prof. Dr. Klaus Blaum (Sprecher der ISOLTRAP-Kollaboration)
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg
Telefon 06221 516850
dinko.atanasov@cern.ch bzw. klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de
http://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/index.de.html

Jan Meßerschmidt | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Neuartige Halbleiter-Membran-Laser
22.03.2017 | Universität Stuttgart

nachricht Seltene Erden: Wasserabweisend erst durch Altern
22.03.2017 | Universität Basel

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Im Focus: Auf der Spur des linearen Ubiquitins

Eine neue Methode ermöglicht es, den Geheimcode linearer Ubiquitin-Ketten zu entschlüsseln. Forscher der Goethe-Universität berichten darüber in der aktuellen Ausgabe von "nature methods", zusammen mit Partnern der Universität Tübingen, der Queen Mary University und des Francis Crick Institute in London.

Ubiquitin ist ein kleines Molekül, das im Körper an andere Proteine angehängt wird und so deren Funktion kontrollieren und verändern kann. Die Anheftung...

Im Focus: Tracing down linear ubiquitination

Researchers at the Goethe University Frankfurt, together with partners from the University of Tübingen in Germany and Queen Mary University as well as Francis Crick Institute from London (UK) have developed a novel technology to decipher the secret ubiquitin code.

Ubiquitin is a small protein that can be linked to other cellular proteins, thereby controlling and modulating their functions. The attachment occurs in many...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

Über Raum, Zeit und Materie

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Besser lernen dank Zink?

23.03.2017 | Biowissenschaften Chemie

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Innenraum-Ortung für dynamische Umgebungen

23.03.2017 | Architektur Bauwesen