Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einblicke ins Atom

23.01.2017

Physiker der Universität Jena und des Helmholtz-Instituts Jena stellen neuen Mechanismus zur Untersuchung von Atomkernen vor

Es ist nicht leicht, die kleinsten Bausteine der Materie in Augenschein zu nehmen. Während sich Atome mit einer Größe von einigen Pikometern (Billionstel Meter) mit Rastertunnelmikroskopen noch in ihren Umrissen sichtbar machen lassen, sind Nahaufnahmen der Atomkerne auf direktem Wege bislang ganz und gar unmöglich:


Die theoretischen Physiker Dr. Andrey Voltka (l.) und Prof. Dr. Stephan Fritzsche von der Uni Jena haben eine Methode entwickelt, mit der sie Atomkerne gezielt anregen und untersuchen können.

Foto: Anne Günther/FSU

Wie eine dichte Atmosphäre oftmals den Blick auf ferne Planeten verhüllt, so verdeckt eine Wolke von Elektronen, die sich um den Atomkern bewegen, die Sicht ins Innere eines Atoms. „Die Elektronenhülle bestimmt nicht nur die Festigkeit und chemischen Bindungen aller uns umgebenden Stoffe, sie ist auch wesentlich größer als der Atomkern“, sagt Prof. Dr. Stephan Fritzsche von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Ihr Durchmesser beträgt etwa das Hunderttausendfache des Durchmessers des Atomkerns. Um die Kerne dennoch direkt zu erreichen, müssen sich die Forscher daher etwas einfallen lassen.

Und genau das haben Prof. Fritzsche und seine Kollegen getan. Das Team um den theoretischen Physiker von der Universität Jena und dem Helmholtz-Institut Jena stellt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ eine Methode vor, mit der die Forscher den Schleier der Elektronenwolke lüften und die Atomkerne gezielt anregen können. Dabei gelingt es ihnen nicht nur die Elektronenwolke zu durchdringen; sie nutzen die eigenwilligen Sprünge der Elektronen sogar, um neue Kernzustände zu ermöglichen (DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.243001).

Grundlage der Untersuchungsmethode ist die sogenannte Zwei-Photonen-Emissionsspektroskopie. „Dazu schickt man elektromagnetische Strahlung in eine Probe des zu untersuchenden Elementes“, erläutert PD Dr. Andrey Volotka aus Fritzsches Arbeitsgruppe, der Erstautor der aktuellen Studie ist. Die Elektronen in der Atomhülle werden von der Strahlung angeregt und gehen in einen energetisch höheren Zustand über, in dem sie allerdings nur für sehr kurze Zeit verweilen und von wo sie anschließend in ihren ursprünglichen Zustand zurückfallen. Jedes angeregte Atom gibt dabei seine Energie in Form zweier Lichtteilchen (Photonen) wieder ab.

„Dem von uns vorgeschlagenen Mechanismus zufolge wird eines dieser Photonen jedoch vom Atomkern absorbiert und regt diesen selbst an“, so Andrey Volotka. Diese Anregung des Atomkerns lässt sich – ebenso wie die des verbleibenden zweiten Photons – spektroskopisch nachweisen. Die beobachtbaren Signale in den Photonenspektren geben den Forschern Aufschluss über die Struktur des Atomkerns und dessen Wechselwirkung mit den Elektronen. „Damit können sogenannte isomere Zustände der Atomkerne bestimmt werden, die vergleichsweise langlebig sind“, nennt Prof. Fritzsche einen Vorteil der Methode.

„Langlebig“ bedeutet für die Physiker in diesem Fall von Bruchteilen einer Sekunde bis hin zu mehreren Minuten. Die in gängigen Stoßexperimenten angeregten Kernzustände haben dagegen typische Lebensdauern im Attosekundenbereich.

Bisher ist dieser neue Mechanismus allerdings nur ein theoretischer Vorschlag. Die Jenaer Physiker konnten diesen aber gemeinsam mit Kollegen aus Braunschweig, Darmstadt und Dresden bereits in Computersimulationen bestätigen. „Das ist in erster Linie Grundlagenforschung“, macht Prof. Fritzsche deutlich. Vielleicht, so der Physiker, lassen sich die Erkenntnisse jedoch eines Tages auch nutzbringend anwenden: etwa in Form hochpräziser „Atomuhren“, die dann auf Kernübergängen beruhen und eine nennenswert höhere Präzision versprechen.

Original-Publikation:
Volotka A.V. et al. Nuclear Excitation by Two-Photon Electron Transition. Physical Review Letters, DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.243001

Kontakt:
Prof. Dr. Stephan Fritzsche
Theoretisch-Physikalisches Institut der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtz-Institut Jena
Fröbelstieg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947606
E-Mail: stephan.fritzsche[at]uni-jena.de

Weitere Informationen:

http://www.uni-jena.de

Dr. Ute Schönfelder | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Graphen auf dem Weg zur Supraleitung
12.11.2018 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie
09.11.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

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: Graphen auf dem Weg zur Supraleitung

Doppelschichten aus Graphen haben eine Eigenschaft, die ihnen erlauben könnte, Strom völlig widerstandslos zu leiten. Dies zeigt nun eine Arbeit an BESSY II. Ein Team hat dafür die Bandstruktur dieser Proben mit extrem hoher Präzision ausgemessen und an einer überraschenden Stelle einen flachen Bereich entdeckt. Möglich wurde dies durch die extrem hohe Auflösung des ARPES-Instruments an BESSY II.

Aus reinem Kohlenstoff bestehen so unterschiedliche Materialien wie Diamant, Graphit oder Graphen. In Graphen bilden die Kohlenstoffatome ein zweidimensionales...

Im Focus: Datensicherheit: Aufbruch in die Quantentechnologie

Den Datenverkehr noch schneller und abhörsicher machen: Darauf zielt ein neues Verbundprojekt ab, an dem Physiker der Uni Würzburg beteiligt sind. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt mit 14,8 Millionen Euro.

Je stärker die Digitalisierung voranschreitet, umso mehr gewinnen Datensicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die...

Im Focus: A Leap Into Quantum Technology

Faster and secure data communication: This is the goal of a new joint project involving physicists from the University of Würzburg. The German Federal Ministry of Education and Research funds the project with 14.8 million euro.

In our digital world data security and secure communication are becoming more and more important. Quantum communication is a promising approach to achieve...

Im Focus: Research icebreaker Polarstern begins the Antarctic season

What does it look like below the ice shelf of the calved massive iceberg A68?

On Saturday, 10 November 2018, the research icebreaker Polarstern will leave its homeport of Bremerhaven, bound for Cape Town, South Africa.

Im Focus: Forschungsschiff Polarstern startet Antarktissaison

Wie sieht es unter dem Schelfeis des abgebrochenen Riesen-Eisbergs A68 aus?

Am Samstag, den 10. November 2018 verlässt das Forschungsschiff Polarstern seinen Heimathafen Bremerhaven Richtung Kapstadt, Südafrika.

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

Profilierte Ausblicke auf die Mobilität von morgen

12.11.2018 | Veranstaltungen

Mehrwegbecher-System für Darmstadt: Prototyp-Präsentation am Freitag, 16. November, 11 Uhr

09.11.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Ein magnetisches Gedächtnis für den Computer

12.11.2018 | Energie und Elektrotechnik

Autonomes Parken wird erprobt

12.11.2018 | Informationstechnologie

Multicopter und Satelliten für den Rettungseinsatz

12.11.2018 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics