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 Eine kalte Supererde in unserer Nachbarschaft
15.11.2018 | Max-Planck-Institut für Astronomie, Heidelberg

nachricht Die Umgebung macht das Molekül zum Schalter
14.11.2018 | 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: Mit Gold Krankheiten aufspüren

Röntgenfluoreszenz könnte neue Diagnosemöglichkeiten in der Medizin eröffnen

Ein Präzisions-Röntgenverfahren soll Krebs früher erkennen sowie die Entwicklung und Kontrolle von Medikamenten verbessern können. Wie ein Forschungsteam unter...

Im Focus: Ein Chip mit echten Blutgefäßen

An der TU Wien wurden Bio-Chips entwickelt, in denen man Gewebe herstellen und untersuchen kann. Die Stoffzufuhr lässt sich dabei sehr präzise dosieren.

Menschliche Zellen in der Petrischale zu vermehren, ist heute keine große Herausforderung mehr. Künstliches Gewebe herzustellen, durchzogen von feinen...

Im Focus: A Chip with Blood Vessels

Biochips have been developed at TU Wien (Vienna), on which tissue can be produced and examined. This allows supplying the tissue with different substances in a very controlled way.

Cultivating human cells in the Petri dish is not a big challenge today. Producing artificial tissue, however, permeated by fine blood vessels, is a much more...

Im Focus: Optimierung von Legierungswerkstoffen: Diffusionsvorgänge in Nanoteilchen entschlüsselt

Ein Forschungsteam der TU Graz entdeckt atomar ablaufende Prozesse, die neue Ansätze zur Verbesserung von Materialeigenschaften liefern.

Aluminiumlegierungen verfügen über einzigartige Materialeigenschaften und sind unverzichtbare Werkstoffe im Flugzeugbau sowie in der Weltraumtechnik.

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...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Können Roboter im Alter Spaß machen?

14.11.2018 | Veranstaltungen

Tagung informiert über künstliche Intelligenz

13.11.2018 | Veranstaltungen

Wer rechnet schneller? Algorithmen und ihre gesellschaftliche Überwachung

12.11.2018 | Veranstaltungen

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

Automatisierte Klebfilmablage und Stringerintegration für den Flugzeugbau

14.11.2018 | Materialwissenschaften

Wie Algen und Kohlefasern die Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre nachhaltig senken könnten

14.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

Was das Meer zur Klimaregulierung beiträgt: Neue Erkenntnisse helfen bei der Berechnung

14.11.2018 | Biowissenschaften Chemie

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