Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

An den Grenzen der Kernkraft

19.02.2009
Heidelberger und Mainzer Physiker haben Atomkerne mit einem "Heiligenschein" vermessen

In Atomkernen geht es manchmal zu wie in einer Menschentraube. Wie sich der eine oder andere an den Rand des ärgsten Gedränges zurückzieht, kreisen bestimmte Kernbausteine an der Peripherie eines Atomkerns - es wird ihnen innen quasi zu voll. Sie verschaffen den Kernen einen "Heiligenschein", griechisch Halo, weshalb solche Kerne Halokerne heißen. Drei Kerne dieser Art haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kernphysik und Kollegen anderer internationaler Einrichtungen nun mit Methoden untersucht, mit denen Physiker bislang vor allem ganze Atome studierten. Unter anderem verfeinerten sie die Laserspektroskopie, um die Radien der Atomkerne und die Verteilung der positiven Ladung darin präzis zu messen. Aus diesen Erkenntnissen lernen die Forscher auch etwas über die Kräfte, die in gewöhnlichen Kernen wirken. (Physical Review Letters, 13. Februar 2009, 19. Dezember 2008 und 26. September 2008)


a) - c): Schematische Darstellung der Halokerne Lithium-11, Beryllium-11 und Neon-17. d): Nur zu dritt sind die Borromäischen Ringe untrennbar. Fehlt einer, fallen auch die beiden übrigen Ringe auseinander. Bild: MPI für Kernphysik

"Ich würd’ gern wissen, was die Welt, im Inneren zusammenhält", sprach einst Goethes Faust. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kernphysik könnten ihm jetzt helfen. Sie erforschen die Kräfte, die wesentliche Bausteine der Welt zusammenhalten, nämlich die Atomkerne. Konkret messen sie die Größe, Dichte und Ladungsverteilung in einer extremen Form von Atomkernen: den Halokernen, in denen ein oder mehrere Kernbausteine nur sehr schwach gebunden sind. Ihre Messungen verraten ihnen etwas über den Grenzbereich der starken Kernkraft, die die Kernbausteine, aber auch deren noch kleineren Bestandteile, die Quarks, zusammenhält.

In drei separaten Arbeiten studierte die Gruppe von Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik, zusammen mit Wissenschaftlern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, dem Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt sowie anderer internationaler Einrichtungen Halokerne der Elemente Lithium, Beryllium und Neon. Diese Kerne erzeugen die Forscher, indem sie schwerere Kerne zerschießen und die Bruchstücke separieren. Das in der Natur vorkommende Lithium etwa besitzt drei Protonen, die immer die Art des Elementes festlegen, und drei oder vier Neutronen - als eine Art Bindemittel. Nun haben die Forscher ein Lithium mit drei Protonen und acht Neutronen erzeugt. Zwei Neutronen kreisen dabei als Halo um den kompakten Lithiumkern, der bereits einige Neutronen als Zusatzlast mit sich trägt. Viele Halokerne sind nur mit zwei Trabanten lebensfähig. Sie bilden borromäische Zustände, die ihren Namen den drei Ringen in einem italienischen Familienwappen verdanken. Sie greifen so ineinander, dass alle auseinander fallen, wenn einer fehlt.

Für das Lithium-11, wie Physiker die Variante nach der Zahl seiner Kernbausteine nennen, haben die Heidelberger Physiker ebenso wie für Beryllium-11 und Neon-17 Kerneigenschaften wie den Radius bestimmt, und zwar besonders exakt und für Neon-17 sogar zum ersten Mal. Demnach gönnen sich die zwei Halo-Neutronen des Lithium-11 etwa so viel Platz wie die über 200 Kernbausteine eines Bleikerns. Deutlich kleiner ist dagegen der Neon-17-Kern. In seinem Halo kreisen aber nicht zwei Neutronen, sondern zwei Protonen. "Das ist erstaunlich, weil die positive Ladung die beiden Protonen untereinander und vom kompakten Kern abstoßen müsste", sagt Klaus Blaum.

Die Radien haben sie mithilfe einer verfeinerten Form der Laserspektroskopie gemessen - eine Methode, die bislang vor allem Atomphysiker benutzten. Das gilt auch für die Penning-Falle. Darin zwingen die Kernphysiker die Atome mit elektrischen und magnetischen Feldern auf eine Kreisbahn. Aus dem Verhalten der Atome auf dieser Bahn bestimmten die Forscher die Masse der Teilchen und daraus - mittels Einsteins berühmter Formel E = mc2 - die Energie, mit der die zusätzlichen Teilchen an den Kern gebunden werden.

Für Lithium-11 stellten sie fest, wie die Neutronen im Halo die Ladungsverteilung im kompakten Zentrum des Kerns beeinflussen. So beobachteten sie, dass Lithium-11 auf elektrische und magnetische Felder anders reagiert als Lithium-9. Beide Varianten des Elementes besitzen im Rumpfkern drei positiv geladene Protonen und sechs ungeladene Neutronen. Im Halo des Lithium-11 kommen nur zwei zusätzliche Neutronen hinzu. Obwohl diese ungeladen sind, beeinflussten sie das Verhalten des Kerns im elektrischen Feld - die Ursache dafür kann also nur sein, dass sich die geladenen Protonen im Rumpfkern anders verteilen.

Bei diesen Studien müssen sich die Forscher sehr beeilen, denn die Kerne existieren kaum länger als einen Wimpernschlag - nicht einmal ein Zehntel einer Sekunde. "Ein leichter Atomkern ist stabil, wenn er etwa gleich viele Neutronen wie Protonen enthält", sagt Blaum und fügt an: "Wenn in einem Atomkern eine Sorte der Kernteilchen deutlich in der Überzahl ist, zerfallen die Kerne zwar schnell, aber nur dann können überschüssige Bausteine einen Halo bilden." Die Anziehungskraft reicht hier nicht mehr aus, alle Teilchen eng zu binden.

Die Anziehungskraft zwischen den Kernbausteinen entsteht aus der starken Kernkraft. Sie klebt einerseits die Quarks, die Elementarteilchen in den Neutronen und Protonen, zusammen. Andererseits wirkt sie auch außerhalb der Neutronen und Protonen und bindet diese im Kern aneinander. Halos verdeutlichen nun die Grenzen dieser Anziehungskraft. Die schwach gebundenen Teilchen sind so weit vom Rumpfkern entfernt, dass die Kernkräfte sie gerade noch halten.

Als nächstes werden die Forscher die Atome Berillium-12 und Berillium-14 untersuchen. Ähnlich wie Lithium-11 besitzt Berillium-14 einen borromäischen Zwei-Neutronen-Halo. "Wir hoffen, noch mehr darüber zu erfahren, wie die Teilchen in den Atomkernen wechselwirken", sagt Blaum. Dann erfahren sie auch noch mehr darüber, was die Welt im Inneren zusammenhält.

Originalveröffentlichung:

R. Neugart, D.L. Balabanski, K. Blaum, D. Borremans, P. Himpe, M. Kowalska, P. Lievens, S. Mallion, G. Neyens, N. Vermeulen, and D.T. Yordanov
Precision measurement of 11Li moments: influence of halo neutrons on the 9Li core

Physical Review Letters, 101, 132502 (2008)

W. Geithner, T. Neff, G. Audi, K. Blaum, P. Delahaye, H. Feldmeier, S. George, C. Guénaut, F. Herfurth, A. Herlert, S. Kappertz, M. Keim, A. Kellerbauer, H.-J. Kluge, M. Kowalska, P. Lievens, D. Lunney, K. Marinova, R. Neugart, L. Schweikhard, S. Wilbert, and C. Yazidjian
Masses and Charge Radii of 17-22Ne and the Two-Proton-Halo Candidate 17Ne
Physical Review Letters 101, 252502 (2008)
W. Nörtershäuser, D. Tiedemann, M. Žáková, Z. Andjelkovic, K. Blaum, M. L. Bissell, R. Cazan, G. W. F. Drake, Ch. Geppert, M. Kowalska, J. Krämer, A. Krieger, R. Neugart, R. Sánchez, F. Schmidt-Kaler, Z.-C. Yan, D. T. Yordanov, and C. Zimmermann
Nuclear Charge Radii of 7,9,10Be and the one-neutron halo nucleus 11Be
Physical Review Letters 102, 062503 (2009)

Dr. Christina Beck | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

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: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise