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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

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