Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Physiker berechnen, wann Atomkerne instabil werden

08.12.2017

Wenn Atomkerne zu viele Neutronen enthalten, brechen sie auseinander. Ein internationales Physiker-Team hat nun erstmals eine Methode entwickelt, die eine exakte Berechnung ermöglicht, ab wann die Kerne instabil werden. An der internationalen Studie waren Forscher der Universität Bonn maßgeblich beteiligt. Sie ist nun in den Physical Review Letters erschienen.

Atome bestehen aus einer Hülle und einem Kern. Die Hülle wird von den negativ geladenen Elektronen gebildet. Sie sind dafür verantwortlich, dass Atome chemische Bindungen eingehen können. Der Kern ist dagegen positiv geladen. Er hält die Elektronen aufgrund der elektrostatischen Anziehung gewissermaßen fest.


Der Supercomputer JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich, an dem die Berechnungen durchgeführt wurden.

© Foto: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach

Für die positive Kernladung sorgen dabei die Protonen. Von ihnen gibt es stets genauso viele wie Elektronen. Atome sind daher insgesamt gesehen elektrisch neutral. Ein Kohlenstoff-Atom etwa besteht aus sechs Elektronen und sechs Protonen.

Daneben enthält der Kern des Kohlenstoff-Atoms aber auch noch ungeladene Teilchen, die Neutronen. Meist sind dies im Kohlenstoff ebenfalls sechs, es können aber auch sieben oder acht sein. Wenn der Kern eines Atoms jedoch zu viele Neutronen enthält, wird er instabil. Das Atom kann dann zerbrechen – es zerfällt.

Wann das genau passiert, ist von Atom zu Atom unterschiedlich. „Bisher ließ sich nicht exakt berechnen, bei wie vielen Neutronen dieser Punkt erreicht ist“, erklärt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Grund: Im Kern wirken unterschiedliche Kräfte. Die gängigen Algorithmen können manche davon genau kalkulieren, andere jedoch nur näherungsweise bestimmen.

„Freiheitsberaubung“ im Atomkern

Anders die Methode, die Meißner und seine Kollegen nun publiziert haben. Diese basiert zunächst auf einer Art „Freiheitsberaubung“. In der Realität können sich die Protonen und Neutronen nämlich an beliebigen Stellen im Raum aufhalten. Für ihre Berechnungen schränkten die Wissenschaftler diese Freiheit jedoch ein:

„Wir ordneten unsere Kernteilchen auf den Knotenpunkten eines dreidimensionalen Gitters an“, erläutert der Erstautor der Studie, Meißners Mitarbeiter Dr. Serdar Elhatisari. „Wir erlaubten ihnen also nur bestimmte, streng definierte Positionen.“ Für eine derartige Gitterkonfiguration lässt sich relativ einfach die Bindungsenergie zwischen den Teilchen bestimmen.

Im nächsten Schritt durften die Kernteilchen die Plätze tauschen. Dadurch entstand eine neue Gitterkonfiguration. Wenn diese energetisch günstiger war als die erste, diente sie als Basis für einen erneuten Platztausch. „Diesen Schritt haben wir millionenfach wiederholt“, erklärt Meißner. „Wir näherten uns dadurch immer mehr der Kern-Konfiguration, die energetisch optimal ist. Und auf dieser Grundlage konnten wir dann berechnen, ob der Kern mit der vorgegebenen Anzahl von Protonen und Neutronen stabil ist oder nicht.“

Experten sprechen auch von einem Monte-Carlo-Verfahren. Es liefert zwar exakte Ergebnisse zu den Bindungsverhältnissen im Atomkern. Aus der Zuordnung der Kernteilchen zu bestimmten diskreten Positionen ergeben sich aber auch Nachteile. So ist es im Normalfall nicht möglich, die genaue Dichteverteilung des Kerns zu berechnen. „Wir haben unser Verfahren aber so modifiziert, dass auch das möglich ist“, betont der Physiker.

Die Ergebnisse erlauben einen detaillierteren Einblick in den Aufbau der Atomkerne. Die Beteiligten hoffen unter anderem, so die Entstehung der Elemente nach dem Urknall besser nachvollziehen können. An der Studie waren neben dem Helmholtz-Institut Physiker des Forschungszentrums Jülich, der Ruhr-Universität Bochum sowie verschiedener US-Hochschulen beteiligt. Die Berechnungen wurden auf dem Supercomputer JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich durchgeführt.

Publikation: Serdar Elhatisari, Evgeny Epelbaum, Hermann Krebs, Timo A. Lähde, Dean Lee, Ning Li, Bing-nan Lu, Ulf-G. Meißner und Gautam Rupak: Ab initio Calculations of the Isotopic Dependence of Nuclear Clustering; Physical Review Letters; DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.222505

Kontakt:

Prof. Dr. Ulf-G. Meißner
Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik
Universität Bonn
Tel. 0228/732365
E-Mail: meissner@hiskp.uni-bonn.de

Johannes Seiler | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Schichten aus Braunschweig auf dem Weg zum Merkur
18.10.2018 | Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST

nachricht Datenspeicher der Zukunft: Extrem kleine magnetische Nanostrukturen mit Tarnkappen beobachtet
18.10.2018 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Größter Galaxien-Proto-Superhaufen entdeckt

Astronomen enttarnen mit dem ESO Very Large Telescope einen kosmischen Titanen, der im frühen Universum lauert

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Olga Cucciati vom Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) Bologna hat mit dem VIMOS-Instrument am Very Large...

Im Focus: Auf Wiedersehen, Silizium? Auf dem Weg zu neuen Materalien für die Elektronik

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz haben zusammen mit Wissenschaftlern aus Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgarien) und Madrid (Spanien) ein neues, metall-organisches Material entwickelt, welches ähnliche Eigenschaften wie kristallines Silizium aufweist. Das mit einfachen Mitteln bei Raumtemperatur herstellbare Material könnte in Zukunft als Ersatz für konventionelle nicht-organische Materialien dienen, die in der Optoelektronik genutzt werden.

Bei der Herstellung von elektronischen Komponenten wie Solarzellen, LEDs oder Computerchips wird heutzutage vorrangig Silizium eingesetzt. Für diese...

Im Focus: Goodbye, silicon? On the way to new electronic materials with metal-organic networks

Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) in Mainz (Germany) together with scientists from Dresden, Leipzig, Sofia (Bulgaria) and Madrid (Spain) have now developed and characterized a novel, metal-organic material which displays electrical properties mimicking those of highly crystalline silicon. The material which can easily be fabricated at room temperature could serve as a replacement for expensive conventional inorganic materials used in optoelectronics.

Silicon, a so called semiconductor, is currently widely employed for the development of components such as solar cells, LEDs or computer chips. High purity...

Im Focus: Blauer Phosphor – jetzt erstmals vermessen und kartiert

Die Existenz von „Blauem“ Phosphor war bis vor kurzem reine Theorie: Nun konnte ein HZB-Team erstmals Proben aus blauem Phosphor an BESSY II untersuchen und über ihre elektronische Bandstruktur bestätigen, dass es sich dabei tatsächlich um diese exotische Phosphor-Modifikation handelt. Blauer Phosphor ist ein interessanter Kandidat für neue optoelektronische Bauelemente.

Das Element Phosphor tritt in vielerlei Gestalt auf und wechselt mit jeder neuen Modifikation auch den Katalog seiner Eigenschaften. Bisher bekannt waren...

Im Focus: Chemiker der Universitäten Rostock und Yale zeigen erstmals Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen

Die Forschungskooperation zwischen der Universität Yale und der Universität Rostock hat neue wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht. In der renommierten Zeitschrift „Angewandte Chemie“ berichten die Wissenschaftler über eine Dreierkette aus Ionen gleicher Ladung, die durch sogenannte Wasserstoffbrücken zusammengehalten werden. Damit zeigen die Forscher zum ersten Mal eine Dreierkette aus gleichgeladenen Ionen, die sich im Grunde abstoßen.

Die erfolgreiche Zusammenarbeit zwischen den Professoren Mark Johnson, einem weltbekannten Cluster-Forscher, und Ralf Ludwig aus der Physikalischen Chemie der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungen

11. Jenaer Lasertagung

16.10.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Dezember 2018

16.10.2018 | Veranstaltungen

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

Nanodiamanten als Photokatalysatoren

18.10.2018 | Materialwissenschaften

Schichten aus Braunschweig auf dem Weg zum Merkur

18.10.2018 | Physik Astronomie

Rettungsdienst und Feuerwehr - Beschaffung von Rettungsdienstfahrzeugen, -Geräten und -Material

18.10.2018 | Veranstaltungsnachrichten

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