Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftlern gelingt der bislang empfindlichste Test des relativistischen Kernrückstoßeffekts

21.01.2016

Gute Übereinstimmung zwischen theoretischer Vorhersage und hochpräzisen g-Faktor-Messungen erweitert unsere detaillierte Kenntnis über die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen in Atomen

In einem kürzlich in Nature Communications erschienenen Artikel präsentieren Wissenschaftler aus Mainz, Heidelberg, Darmstadt und St. Petersburg erstmals einen direkten Test des Kernrückstoßeffekts.


Schematische Darstellung des Experiments: Von den lithiumähnlichen Kalziumionen Ca-40 und Ca-48 wird die g-Faktor-Differenz gemessen und berechnet, um so den relativistischen Kernrückstoßbeitrag zu testen.

Abb.: Florian Köhler, Institut für Physik, JGU


Dr. Florian Köhler und Dr. Sven Sturm beim g-Faktor-Experiment für hochgeladene Ionen im Untergeschoss des Instituts für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Hier wurden die g-Faktoren von Ca-40 und Ca-48 mit höchster Präzision experimentell bestimmt. Die Ionenfallen sowie die supraleitenden Detektionssysteme mit ultra-präziser Messelektronik befinden sich im 3,7-Tesla-Magneten, der von einer temperaturstabilisierten Box (rechts) umgeben ist.

Foto: Andreas Mooser, Institut für Physik, JGU

Während der Atomkern üblicherweise als räumlich fixiert betrachtet wird, beschreibt der Kernrückstoßeffekt eine gewisse Beweglichkeit des Kerns.

Damit wird es möglich, die Dynamik der Wechselwirkung zwischen den Elektronen und dem Atomkern zu beobachten. Die jetzt vorgelegten Ergebnisse zeigen, dass die theoretischen Vorhersagen gut mit den hochpräzisen Messungen übereinstimmen.

Um das Atom physikalisch zu beschreiben, entwickelte Niels Bohr vor etwa 100 Jahren sein berühmtes Atommodell und ebnete damit den Weg für unser heutiges Verständnis vom Aufbau der Atomhülle. Heute wird der Aufbau des Atoms mit einer der am genauesten getesteten Theorien beschrieben, der Quantenelektrodynamik gebundener Zustände (BS-QED).

Zum experimentellen Test dieser Theorie eignet sich der sogenannte g-Faktor des gebundenen Elektrons besonders. Der g-Faktor beschreibt die Stärke eines magnetischen Moments, ist in diesem Fall also ein Maß für die magnetische Kraft, die von dem gebundenen Elektron ausgeht.

In dem aktuellen Artikel präsentieren Dr. Florian Köhler et al. erstmals einen direkten Test des Kernrückstoßeffekts, „einen der faszinierendsten BS-QED-Beiträge zum g-Faktor“, so der Projektleiter des g-Faktor-Experiments hochgeladener Ionen, Dr. Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Zum experimentellen Test dieses Beitrags wurden die g-Faktoren der beiden Kalziumisotope Ca-40 und Ca-48 verglichen, die jeweils nur noch drei Elektronen binden und sich somit in einer lithiumähnlichen Elektronenkonfiguration befinden. Sie besitzen trotz eines verhältnismäßig großen Massenunterschieds von 20 Prozent sehr ähnliche Kernladungsradien, sodass der Einfluss der Kerngrößen beim Vergleich der g-Faktoren vernachlässigt werden kann.

Aus diesem Grund bilden die beiden Kalziumisotope ein einzigartiges Testsystem, mit dem der winzige Unterschied ihrer g-Faktoren aufgrund unterschiedlich großer Beiträge des Kernrückstoßeffekts – der relative Unterschied beträgt gerade einmal etwa 0,000001 Prozent – experimentell bestimmt werden kann.

Der Test wurde durch die enge Zusammenarbeit dreier verschiedener physikalischer Disziplinen möglich: modernste BS-QED-Berechnungen von Theoretikern aus St. Petersburg um Prof. Dr. Vladimir M. Shabaev, hochpräzise Messungen der g-Faktoren von einer Forschergruppe aus Heidelberg und Mainz und die genaue Bestimmung der Atommassen der beteiligten Kalziumisotope am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt.

Die gute Übereinstimmung zwischen dem theoretisch vorhergesagten Kernrückstoßeffekt und den hochpräzisen g-Faktor-Messungen erweitert unsere detaillierte Kenntnis über die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Kernen in Atomen.

Das Experiment bildet zudem die Grundlage für eine neue Generation von Tests der BS-QED und ebnet den Weg für weitere grundlegende Präzisionsmessungen in der Atomphysik, beispielsweise die Bestimmung der Feinstrukturkonstante.

Veröffentlichung:
Isotope dependence of the Zeeman effect in lithium-like calcium
Florian Köhler et al.
Nature Communications, 18. Januar 2016
DOI: 10.1038/ncomms10246


Weitere Informationen:
Dr. Florian Köhler
Institut für Physik
Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU)
55099 Mainz
Tel. +49 6131 39-22891
E-Mail: koehlef@uni-mainz.de
und
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1
69117 Heidelberg

Weitere Links:
http://www.nature.com/ncomms/2016/160118/ncomms10246/full/ncomms10246.html (Article)
https://www.mpi-hd.mpg.de/blaum/gfactor/silicon/index.de.html (Webseite zum g-Faktor-Experiment)

Petra Giegerich | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen
23.05.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Heiße Materialien: Fachartikel zum pyroelektrischen Koeffizienten
23.05.2017 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

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: Tumult im trägen Elektronen-Dasein

Ein internationales Team von Physikern hat erstmals das Streuverhalten von Elektronen in einem nichtleitenden Material direkt beobachtet. Ihre Erkenntnisse könnten der Strahlungsmedizin zu Gute kommen.

Elektronen in nichtleitenden Materialien könnte man Trägheit nachsagen. In der Regel bleiben sie an ihren Plätzen, tief im Inneren eines solchen Atomverbunds....

Im Focus: Turmoil in sluggish electrons’ existence

An international team of physicists has monitored the scattering behaviour of electrons in a non-conducting material in real-time. Their insights could be beneficial for radiotherapy.

We can refer to electrons in non-conducting materials as ‘sluggish’. Typically, they remain fixed in a location, deep inside an atomic composite. It is hence...

Im Focus: Hauchdünne magnetische Materialien für zukünftige Quantentechnologien entwickelt

Zweidimensionale magnetische Strukturen gelten als vielversprechendes Material für neuartige Datenspeicher, da sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Molekülen untersuchen und verändern lassen. Forscher haben nun erstmals einen hauchdünnen Ferrimagneten hergestellt, bei dem sich Moleküle mit verschiedenen magnetischen Zentren auf einer Goldfläche selbst zu einem Schachbrettmuster anordnen. Dies berichten Wissenschaftler des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel und des Paul Scherrer Institutes in der Wissenschaftszeitschrift «Nature Communications».

Ferrimagneten besitzen zwei magnetische Zentren, deren Magnetismus verschieden stark ist und in entgegengesetzte Richtungen zeigt. Zweidimensionale, quasi...

Im Focus: Neuer Ionisationsweg in molekularem Wasserstoff identifiziert

„Wackelndes“ Molekül schüttelt Elektron ab

Wie reagiert molekularer Wasserstoff auf Beschuss mit intensiven ultrakurzen Laserpulsen? Forscher am Heidelberger MPI für Kernphysik haben neben bekannten...

Im Focus: Wafer-thin Magnetic Materials Developed for Future Quantum Technologies

Two-dimensional magnetic structures are regarded as a promising material for new types of data storage, since the magnetic properties of individual molecular building blocks can be investigated and modified. For the first time, researchers have now produced a wafer-thin ferrimagnet, in which molecules with different magnetic centers arrange themselves on a gold surface to form a checkerboard pattern. Scientists at the Swiss Nanoscience Institute at the University of Basel and the Paul Scherrer Institute published their findings in the journal Nature Communications.

Ferrimagnets are composed of two centers which are magnetized at different strengths and point in opposing directions. Two-dimensional, quasi-flat ferrimagnets...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Aachener Werkzeugmaschinen-Kolloquium 2017: Internet of Production für agile Unternehmen

23.05.2017 | Veranstaltungen

14. Dortmunder MST-Konferenz zeigt individualisierte Gesundheitslösungen mit Mikro- und Nanotechnik

22.05.2017 | Veranstaltungen

Branchentreff für IT-Entscheider - Rittal Praxistage IT in Stuttgart und München

22.05.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Diabetes Kongress 2017:„Closed Loop“-Systeme als künstliche Bauchspeicheldrüse ab 2018 Realität

23.05.2017 | Veranstaltungsnachrichten

CAST-Projekt setzt Dunkler Materie neue Grenzen

23.05.2017 | Physik Astronomie

Heiße Materialien: Fachartikel zum pyroelektrischen Koeffizienten

23.05.2017 | Physik Astronomie