Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kernmaterie am kritischen Punkt

28.07.2010
Mittels hochpräziser Messverfahren untersuchen Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik die Eigenschaften von Kernmaterie. Neueste Ergebnisse aus einem Experiment an ISOLDE/CERN für die Masse zweier Krypton-Isotope ergeben eine bessere Abgrenzung für Quanten-Phasenübergänge in Atomkernen.
[Physical Review Letters, 105, 032502 (2010)]

Fest – flüssig – gasförmig. Dies sind die uns aus dem Alltag vertrauten Aggregatzustände, in der Wissenschaft Phasen genannt. Sie sind von einander abgegrenzt und der Übergang von einer Phase zur anderen – Schmelzen, Verdampfen oder Sublimieren wie auch ihre Umkehrungen – ist durch Temperatur und Druck bestimmt.

So lehrt es die klassische Thermodynamik, die sehr allgemeine statistische Theorie für Systeme aus vielen wechselwirkenden Teilchen: im Alltagsbeispiel Atome oder Moleküle. Wie verhalten sich aber die Bestandteile von Atomen, die Elektronen und Kerne? Gibt es auch hier Aggregatzustände und Phasenübergänge und wovon hängen diese ab? Mit diesen Fragen haben sich Forscher der Gruppe von Klaus Blaum vom Heidelberger Max-Planck-Institut für Kernphysik an ISOLDE/CERN in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern von sechs weiteren Forschungsinstitutionen am Beispiel der Kernmaterie näher beschäftigt.

Kernmaterie ist allein schon was ihre Dichte angeht exotisch. Diese ist so ungeheuer groß, dass ein Stück von der Größe eines Würfelzuckers eine Masse von 200 Milliarden kg hätte, was dem Wasserinhalt des Ederstausees entspricht. Dicht gepackt liegen hier die Kernbestandteile (Nukleonen), positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen, und es liegt nahe, den Kern wie ein Flüssigkeitströpfchen zu behandeln – so tat es bereits im Jahr 1935 Carl-Friedrich von Weizsäcker mit seiner Massenformel, welche die wichtigsten Eigenschaften der Kerne gut beschreibt (Abb. 1). Das Stichwort Masse liefert auch den experimentellen Zugang, den sich die Forscher um Klaus Blaum zunutze machen: Nach Einsteins berühmter Formel E = mc2 sind Energie und Masse äquivalent. Dies zeigt sich daran, dass ein Atomkern etwas leichter ist als all seine Nukleonen einzeln zusammen genommen. Dieser „Massendefekt“ entspricht gerade der Bindungsenergie des Kerns.

Hinzu kommen noch Effekte der Quantenphysik, denn ein Atomkern ist ein mikroskopisch kleines Objekt: 100.000mal kleiner als das Atom selbst, enthält aber 99,98% von dessen Masse. Die theoretische Beschreibung bedient sich hier der Quantenstatistik, also der Thermodynamik für Quantensysteme – seien es Quantengase (z. B. Bose-Einstein-Kondensate) oder Quantenflüssigkeiten (Suprafluidität) mit ganz neuen, der Alltagserfahrung fremden Eigenschaften. „Für einen bestimmten Bereich der Neutronenanzahl um das Element Yttrium zeigten frühere Messungen deutliche Hinweise auf einen Phasenübergang in der Kernmaterie und wir waren nun interessiert, wo die Grenzen für diesen Übergang liegen“, so Klaus Blaum. „Eine solche Grenze nennt man auch kritischen Punkt – für Wasser z. B. verschwindet oberhalb von 374°C der Unterschied zwischen flüssig und gasförmig.“ Die Phasenänderung ist mit einer Deformation des normalerweise kugelförmigen Kerns verbunden, was sich in einer schwächeren Bindung der Nukleonen (Abb. 2) und einer Vergrößerung des mittleren Kerndurchmessers äußert.

Zur Bestimmung der Bindungsenergie legen die Physiker die Atomkerne gleichsam auf die Waage, um so den Massendefekt mit hoher Präzision zu vermessen. Als ideale Waage hat sich dabei die Penningfallen-Massenspektrometrie erwiesen. Die zu untersuchenden Atomkerne wurden vom Isotopenseparator ISOLDE am CERN bereitgestellt und in der Penning-Ionenfalle ISOLTRAP zur Massenbestimmung eingefangen. „Eine experimentelle Herausforderung stellen die oft recht kurzen Halbwertszeiten der betrachteten Isotope dar, was derzeit noch die Messgenauigkeit einschränkt“, erläutert Klaus Blaum. Das Ergebnis für die Krypton-Isotope 96Kr und 97Kr, deren Masse erstmals bestimmt wurde, zeigt, dass hier im Gegensatz zur benachbarten Reihe der Rubidium-Isotope (Z=37) kein Phasenübergang mehr beobachtet wird (Abb. 1). Damit ist eine untere Grenze, gefunden, was die Abhängigkeit von der Kernladung angeht, und zugleich wird demonstriert, welches Potential die Penningfallen-Massenspektrometrie für die Erforschung von Kernmaterie bietet.

Beim nächsten Experiment wollen die Forscher eine andere Kerneigenschaft aufspüren: den Schalenabschluss bei der „magischen“ Neutronenzahl N=28 im Bereich der Kernmasse von Argon. Auch hier handelt es sich um einen Quanteneffekt, der über das einfache Tröpfchenmodell hinausgeht und durch eine erhöhte Bindungsenergie gekennzeichnet ist – ähnlich den Schalenabschlüssen in der Atomhülle bei Edelgasen, die sich chemisch sehr stabil verhalten.

Originalveröffentlichung:
S. Naimi, G. Audi, D. Beck, K. Blaum. Ch. Böhm, Ch. Borgmann, M. Breitenfeldt, S. George, F. Herfurth, A. Herlert, M. Kowalska, S. Kreim, D. Lunney, D. Neidherr, M. Rosenbusch, S. Schwarz, L. Schweikhard and K. Zuber
Critical-Point Boundary for the Nuclear Quantum Phase Transition Near A = 100 from Mass Measurements of 96,97Kr

Physical Review Letters, 105, 032502 (2010)

Kontakt:
Prof. Dr. Klaus Blaum
Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg
Tel.: +49 6221 516-850
Fax: +49 6221 516-852
E-Mail: klaus.blaum@mpi-hd.mpg.de

Dr. Bernold Feuerstein | idw
Weitere Informationen:
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.105.032502
http://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/index.de.html
http://isoltrap.web.cern.ch/isoltrap/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Max-Planck-Princeton-Partnerschaft in der Fusionsforschung bestätigt
23.11.2017 | Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

nachricht Magnetfeld-Sensor Argus „sieht“ Kräfte im Bauteil
23.11.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

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: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungen

IfBB bei 12th European Bioplastics Conference mit dabei: neue Marktzahlen, neue Forschungsthemen

22.11.2017 | Veranstaltungen

Zahnimplantate: Forschungsergebnisse und ihre Konsequenzen – 31. Kongress der DGI

22.11.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung