Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen wirksamer als Röntgenlaser

25.02.2014
Anstoß zur Energiefreisetzung aus Kernisomeren

Ein vermeintlicher Nebeneffekt spielt die Hauptrolle. Dies ist das überraschende Ergebnis von Berechnungen, die Physiker um Adriana Pálffy vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg durchgeführt haben, als sie die kontrollierte Energiefreisetzung aus angeregten Atomkernen mit Hilfe eines Röntgenlasers unter die Lupe nahmen. Die direkte Wirkung des Röntgenlasers ist um einige Größenordnungen schwächer als die Wirkung der freigesetzten und wieder eingefangenen Elektronen.


Elektron-Einfang aus dem Kontinuum liefert die Energie, um den 93Mo-Kern aus dem Isomer-Zustand auf das Trigger-Niveau anzuheben. Dieses überspringt bei der Energieabgabe den Isomer-Zustand.

Energiespeicherung ist eines der aktuellsten Probleme der Welt. Eine interessante – zumindest hypothetische – Möglichkeit dafür bieten langlebige, angeregte (also energiereiche) Kernzustände, sogenannte Kernisomere. Solche Kernisomere können sehr große Mengen an Energie in wenig Material speichern. Wenn man die Kernisomere kontrolliert und effizient aufladen und entladen könnte, wären sie eine neue Option zur Energiespeicherung.

Auf der Suche nach einem effizienten und kontrollierten Verfahren fand man einen Trick, um Kernisomere zum Energiespeicher zu machen. Da es fast unmöglich ist, den direkten Zerfall der langlebigen Zustände zu beeinflussen, benutzt man einen Umweg über einen anderen Kernzustand. Dieser Übergang lässt sich mit externen Feldern oder Elektronen leichter steuern. Man spricht von „Triggern“. Um die in dem Kernisomer gespeicherte Energie freizusetzen, muss man erst den langlebigen Kernzustand weiter anregen. Der dadurch erreichte Zustand ist dann kurzlebig, und falls sein Zerfallsweg nicht über den Isomer-Zustand führt, wird die gesamte Energie freigesetzt. Ein geeigneter Kern ist das Molybdän-Isotop 93Mo, dessen wichtigste Energieniveaus in der Abbildung dargestellt sind. Eine verhältnismäßig kleine Trigger-Anregung von 5 keV (eV = Elektronenvolt) setzt die Gesamtenergie von 2.4 MeV als Gammalicht frei. Zum Vergleich: Die Energie von Photonen des sichtbaren Lichts beträgt wenige eV. Photonen von 5 keV sind bei den brillantesten Röntgenquellen unserer Zeit, den Röntgen-Freie-Elektronen-Lasern, bereits verfügbar.

Was geschehen würde, wenn man 93Mo-Kernisomere mithilfe von Röntgen-Laser-Photonen zu entladen versucht, haben jetzt Adriana Pálffy und Kollegen in der Abteilung von Christoph Keitel am Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik theoretisch untersucht. In Kollaboration mit Yuri Litvinov vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt wurde ein Szenario betrachtet, in dem 93Mo-Isomere durch Beschuss mit Wasserstoffkernen in einer Folie aus metallischem Niob in hoher Dichte entstehen. Diese Probe kann für einige Stunden gelagert und dann mit Röntgenphotonen passender Energie bestrahlt werden, um die Energie des Isomers freizusetzen. Dabei haben die Forscher mit Überraschung feststellen müssen, dass gar nicht die primäre, direkte Einwirkung der Röntgenphotonen die Hauptwirkung auf die Isomere hat, sondern ein vorher als Nebeneffekt angesehener elektronischer Prozess.

Intensive Röntgenstrahlen eines Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers erzeugen beim Auftreffen auf einen Festkörper ein Plasma. Die Elektronen werden von den Atomen wegkatapultiert und schwingen frei um die entstandenen hochgeladenen Ionen herum. Unter bestimmten Bedingungen kann die Rekombination eines freien Elektrons mit einem hochgeladenen Ion die gleichzeitige Anregung des Atomkerns bewirken. Dafür müssen nur die beim Einfangen freigesetzte Energie und die Kernübergangsenergie übereinstimmen. Was auf den ersten Blick als ein eventuell störender Nebeneffekt erscheint, führt tatsächlich zu einer deutlich höheren Rate für den Kernanregungsprozess. So deuten die theoretischen Rechnungen darauf hin, dass die Röntgenphotonen ausgerechnet die passenden Ionen und Elektronen im Plasma erzeugen, die Kernanregung durch Elektroneinfang ermöglichen. Auf diese Weise werden um einige Größenordnungen mehr Kerne angeregt als man alleine durch Absorption von Photonen im Kern erzeugen könnte. „Diese Schlussfolgerung ist keineswegs nur für den Fall von 93Mo relevant. Bei fast allen Kernanregungen, die man heutzutage mit dem Röntgenlaser erreichen könnte, wird die Kernanregung durch Elektroneinfang statt Nebenwirkung den Hauptbeitrag liefern“, erläutert Doktorand Jonas Gunst. „Das kann von großer Bedeutung für zukünftige Kernphysikexperimente mit Röntgenlasern sein.“

Unter Berücksichtigung des elektronischen Beitrags zur Kernanregung ist das Triggern von 93Mo zwar deutlich stärker, als man alleine durch die Röntgenphotonen erwarten würde. Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit, mit dem das Kernisomer entladen wird, immer noch zu gering, um von effizienter Kontrolle zu sprechen. „Wir sind leider noch weit weg von der Kernbatterie der Zukunft“, gibt Gruppenleiterin Adriana Pálffy zu, „aber unsere Ergebnisse zeigen, dass auch positive, in unserem Fall verstärkende Überraschungen auftreten können. Die Physik von Kernisomeren und deren Triggern bleibt spannend.“

 
Originalveröffentlichung:
Dominant Secondary Nuclear Photoexcitation with the X-Ray Free-Electron Laser
J. Gunst, Y. A. Litvinov, C. H. Keitel, A. Pálffy
Physical Review Letters Phys. Rev. Lett. 112, 082501, DOI:1103/PhysRevLett.112.082501 (24.02.2014) - http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.082501

Kontakt:

 
Dr. Adriana Pálffy
MPI für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516171
E-Mail: adriana.palffy [at] mpi-hd.mpg.de

Weitere Informationen:

http://www.mpi-hd.mpg.de/personalhomes/palffy/research_main.html - Nuclear and atomic quantum dynamics (Gruppe Pálffy in der Abteilung Keitel am MPI für Kernphysik)
http://physics.aps.org/articles/v7/20 - Viewpoint: Free-Electron Lasers Trigger Nuclear Transitions, F. Albert, Physics 7, 20 (2014)

Dr. Bernold Feuerstein | Max-Planck-Institut

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

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: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie