Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einfache Struktur komplexer Kerne - Laserspektroskopie an Cadmium-Isotopen bestätigt Schalenmodell

13.05.2013
Atomkerne sind so komplexe Quantensysteme, dass auch nach über 70 Jahren Forschung ihre Struktur noch nicht in allen Details verstanden ist.

Eine europäische Physikergruppe um Deyan Yordanov vom MPI für Kernphysik hat nun mit laserspektroskopischen Messungen an Cadmium-Isotopen bei ISOLDE-CERN ein grundlegendes Modell der Kernstruktur und ein überraschend einfaches Prinzip bestätigt, das allerdings nur unter bestimmten Bedingungen erwartet worden war.


Das UV-Licht zur Anregung der Cadmium-Ionen wird durch zweimalige Frequenzverdopplung eines auf 860 nm abgestimmten Titan:Saphir-Lasers erzeugt.
Grafik: MPI für Kernphysik


Die Quadrupolmomente (Q; mb = millibarn = 10^-27 cm^2) von Cadmium-Isotopen mit ungerader Neutronenzahl im Kernzustand mit Spin 11/2 steigen linear an.
Grafik: MPI für Kernphysik

Magnetische Dipol- und elektrische Quadrupolmomente sind fundamentale Eigenschaften von Quantensystemen, die sich für anspruchsvolle Tests von Modellen besonders eignen. So führten verfügbare Daten kernmagnetischer Momente in den 1940er Jahren zur Entwicklung des Schalenmodells der Kernstruktur und später Kernquadrupolmomente zum Konzept deformierter Kerne.

Die Natur stellt zwar einige hundert stabile Kerne zur Verfügung, aber diese verteilen sich über fast das gesamte Periodensystem. Besser geeignet für präzise Messungen sind viele unterschiedlich schwere Kerne ein- und desselben Elements, genannt Isotope. Sie besitzen die gleiche Anzahl von Protonen (die das chemische Element bestimmt), aber unterschiedlich viele Neutronen. In modernen Beschleunigeranlagen können durch Beschuss schwerer Kerne mit Protonen ganze Serien von Isotopen künstlich hergestellt werden. Dabei ist es aber eine Herausforderung, das gewünschte Isotop aus den rund 1000 verschiedenen Bruchstücken herauszufischen.

An der ISOLDE-Anlage des CERN haben sich die Physiker einiger Tricks bedient: Mit hochenergetischen Protonen beschossen sie zunächst Wolfram, um mittel- und niedrigenergetische Neutronen in großer Zahl zu produzieren, und damit Urankerne gespalten. Auf diese Weise entstehen ‚nur‘ einige hundert verschiedene, meist – wie gewünscht – neutronenreiche Kerne. Aus dieser Mischung verschiedener Elemente haben die Wissenschaftler die flüchtigen Cadmium-Atome bei kontrollierter Temperatur über ein Quarzrohr selektiv abgedampft und zum Experiment geführt, während die restlichen Nuklide am Target zurückblieben und dort zerfielen.

Die Cadmium-Atome wurden anschließend mit einem Laser ionisiert, beschleunigt und nach ihrer Masse getrennt. Der aus jeweils nur einem Isotop bestehende Ionenstrahl wurde in eine sogenannte Paulfalle injiziert, kurz gespeichert und dann als komprimiertes Bündel emittiert. Damit unterdrückten die Forscher den Untergrund und erhöhten die Empfindlichkeit der folgenden Messungen mittels hochauflösender Laserspektroskopie. Zur Anregung der Cadmium-Ionen im tiefen UV kam ein frequenzvervierfachter Titan:Saphir-Laser zum Einsatz. Die Spektren zeigen für jedes Isotop eine charakteristische Hyperfeinstruktur, aus der sich die Kerndipol- und Quadrupolmomente sowie der quantenmechanische Kernzustand bestimmen lassen.

Bemerkenswerterweise nehmen die Quadrupolmomente der Cadmium-Isotope 111 bis 129 mit ungerader Massen- und damit auch Neutronenzahl in einem bestimmten Kernzustand linear mit der Neutronenzahl zu. Dieser Kernzustand kann im quantenmechanischen Schalenmodell der Kernstruktur als ein ungepaartes Neutron in einem Orbital mit hohem Bahndrehimpuls betrachtet werden. Und dieses ungepaarte Neutron verhält sich in allen Kernen gleichartig. Ein derartiges Verhalten war theoretisch vorhergesagt, allerdings nur für Kerne, in denen entweder die Neutronen oder die Protonen eine abgeschlossene Schale bilden. In den verschiedenen Cadmium-Isotopen, deren Schalen alle nicht abgeschlossen sind, ist diese einfache Konfiguration aber offensichtlich erhalten. Somit bestätigen die Ergebnisse das Schalenmodell und das Konzept der Paarung von Protonen und Neutronen, das für eine einfache und gleichbleibende Struktur in einer langen Reihe von Isotopen sorgt.

Originalpublikation:
Spins, Electromagnetic Moments, and Isomers of 107-129Cd
D. T. Yordanov, D. L. Balabanski, J. Bieron, M. L. Bissell, K. Blaum, I. Budincevic, S. Fritzsche, N. Frömmgen, G. Georgiev, Ch. Geppert, M. Hammen, M. Kowalska, K. Kreim, A. Krieger, R. Neugart, W. Nörtershäuser, J. Papuga, S. Schmidt
Phys. Rev. Lett. 110, 192501 (2013), DOI:10.1103/PhysRevLett.110.192501 http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.110.192501

Viewpoint:
Simple Structure in Complex Nuclei
J. Wood, Physics 6, 52 (2013), DOI: 10.1103/Physics.6.52 http://physics.aps.org/articles/v6/52
Kontakt:

Prof. Dr. Klaus Blaum
MPI für Kernphysik, Heidelberg
E-Mail: klaus.blaum [AT] mpi-hd.mpg.de
Tel.: +49 6221 516-850

Prof. Dr. Wilfried Nörterhäuser
Technische Universität Darmstadt
E-Mail: wnoertershaeuser [AT] ikp.tu-darmstadt.de
Tel.: +49 6151 16-3116

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpi-hd.mpg.de
http://physics.aps.org/articles/v6/52

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie
06.12.2016 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

nachricht Neue Perspektiven durch gespiegelte Systeme
05.12.2016 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

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: Gravitationswellen als Sensor für Dunkle Materie

Die mit der Entdeckung von Gravitationswellen entstandene neue Disziplin der Gravitationswellen-Astronomie bekommt eine weitere Aufgabe: die Suche nach Dunkler Materie. Diese könnte aus einem Bose-Einstein-Kondensat sehr leichter Teilchen bestehen. Wie Rechnungen zeigen, würden Gravitationswellen gebremst, wenn sie durch derartige Dunkle Materie laufen. Dies führt zu einer Verspätung von Gravitationswellen relativ zu Licht, die bereits mit den heutigen Detektoren messbar sein sollte.

Im Universum muss es gut fünfmal mehr unsichtbare als sichtbare Materie geben. Woraus diese Dunkle Materie besteht, ist immer noch unbekannt. Die...

Im Focus: Significantly more productivity in USP lasers

In recent years, lasers with ultrashort pulses (USP) down to the femtosecond range have become established on an industrial scale. They could advance some applications with the much-lauded “cold ablation” – if that meant they would then achieve more throughput. A new generation of process engineering that will address this issue in particular will be discussed at the “4th UKP Workshop – Ultrafast Laser Technology” in April 2017.

Even back in the 1990s, scientists were comparing materials processing with nanosecond, picosecond and femtosesecond pulses. The result was surprising:...

Im Focus: Wie sich Zellen gegen Salmonellen verteidigen

Bioinformatiker der Goethe-Universität haben das erste mathematische Modell für einen zentralen Verteidigungsmechanismus der Zelle gegen das Bakterium Salmonella entwickelt. Sie können ihren experimentell arbeitenden Kollegen damit wertvolle Anregungen zur Aufklärung der beteiligten Signalwege geben.

Jedes Jahr sind Salmonellen weltweit für Millionen von Infektionen und tausende Todesfälle verantwortlich. Die Körperzellen können sich aber gegen die...

Im Focus: Shape matters when light meets atom

Mapping the interaction of a single atom with a single photon may inform design of quantum devices

Have you ever wondered how you see the world? Vision is about photons of light, which are packets of energy, interacting with the atoms or molecules in what...

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Wie aus reinen Daten ein verständliches Bild entsteht

05.12.2016 | Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Innovationen für eine nachhaltige Forstwirtschaft

06.12.2016 | Agrar- Forstwissenschaften

Diabetesforschung: Neuer Mechanismus zur Regulation des Insulin-Stoffwechsels gefunden

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie

Was nach der Befruchtung im Zellkern passiert

06.12.2016 | Biowissenschaften Chemie