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Dienstag, 02.09.2014
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Atomkern mit Heiligenschein

Wissenschaftler vermessen erstmals Ein-Neutron-Halo mit Lasern

Atomkerne sind normalerweise kompakte Gebilde, die durch einen scharfen Rand begrenzt werden. Einige exotische Atomkerne wie Beryllium-11 besitzen jedoch Teilchen, die aus dem Verbund ausscheren und eine Wolke bilden, die sich wie ein Heiligenschein um den Rumpfkern legt. Wissenschaftlern ist es nun erstmals gelungen, den so genannten Halo von Beryllium-11, der von einem einzelnen Neutron gebildet wird, mithilfe eines Lasers präzise zu vermessen und die Ausdehnung des Schleiers festzustellen. Ergebnis: Der Atomkern von Beryllium ist mit Heiligenschein dreimal so groß wie normal.
Mittlerer Abstand des Halo-Neutrons

Mittlerer Abstand des Halo-Neutrons

Von der Erforschung der Neutronen-Halos erhoffen sich die Forscher der Universität Mainz weitere Erkenntnisse über die Kernbindungskräfte, die im Innern der Atome wirken - auch vor dem Hintergrund, dass die Entfernung der Halo-Neutronen vom zentralen Atomkern mit den Vorstellungen der klassischen Kernphysik nicht vereinbar ist.

„Intuitiv stellen wir uns unter einem Atomkern eine kompakte Kugel vor, die aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen besteht“, erläutert Wilfried Nörtershäuser vom Mainzer Institut für Kernchemie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“. „Tatsächlich wissen wir aber seit den 1980er Jahren, dass die Atomkerne einiger neutronenreicher Isotope der leichtesten Elemente Lithium, Helium und Beryllium dieser Vorstellung völlig widersprechen.“

Rumpfkern mit Wolke


Diese Isotope bestehen aus einem kompakten Rumpfkern und einer Wolke aus verdünnter Kernmaterie - Heiligenschein oder Halo genannt. Ein Halo besteht meistens aus Neutronen, die extrem schwach an den Rumpfkern gebunden sind. „In der Regel mit nur etwa einem Zehntel der gewöhnlichen Bindungsenergie eines Neutrons im Kern“, so Nörtershäuser.

Die Entdeckung dieser exotischen Atomkerne schuf ein neues Forschungsgebiet. Doch Messungen an Halo-Kernen sind ausgesprochen schwierig, da sie nur in kleinen Mengen künstlich erzeugt werden können. Hinzu kommt, dass die erzeugten Kerne innerhalb weniger Sekunden, meist sogar von Millisekunden wieder zerfallen.

Neue Methode entwickelt


Dem Team um Nörtershäuser ist es jetzt erstmals gelungen, den Kernladungsradius des Halo-Kerns von Beryllium-11, einem speziellen Isotop des Metalls Beryllium, zu messen. Dieser Kern besteht aus einem Rumpfkern aus vier Protonen und sechs Neutronen und einem schwach gebundenen Neutron, das den Halo bildet.

Für die laserspektroskopische Präzisionsmessung setzten die Wissenschaftler eine Methode ein, die bereits vor 30 Jahren an der Universität Mainz entwickelt wurde, kombinierten sie aber erstmals mit einer der modernsten Methoden zur präzisen Frequenzmessung von Lasern, indem sie einen Frequenzkamm einsetzten.

Dies allein war aber noch nicht ausreichend. Erst durch die Erweiterung der Methode mit dem Einsatz eines weiteren Lasersystems konnte die erforderliche Genauigkeit erreicht werden. Die Technik wurde dann an der Fabrik für radioaktive Ionenstrahlen (ISOLDE) am Kernforschungszentrum CERN in Genf auf die Beryllium-Isotope angewandt.

Wie die Messungen ergaben, beträgt der mittlere Abstand des Halo-Neutrons von dem Rumpfkern sieben Femtometer. Das Halo-Neutron ist damit etwa dreimal so weit vom Rumpfkern entfernt wie das äußerste Proton, denn der Rumpfkern selbst hat einen Radius von nur 2,5 Femtometer.

Direkter Beweis des Halo-Charakters gelungen


„Dies ist ein eindrucksvoller direkter Beweis des Halo-Charakters dieses Isotops. Besonders interessant ist dabei, dass das Halo-Neutron somit viel weiter von den anderen Nukleonen entfernt ist, als es die Reichweite der starken Kernkraft im klassischen Bild überhaupt zulassen dürfte“, erklärt Nörtershäuser.

Die starke Wechselwirkung, die den Atomkern zusammenhält, reicht lediglich zwei bis drei Femtometer weit. Das Rätsel, weshalb sich das Halo-Neutron so weit vom Rumpfkern entfernen kann, lässt sich nach Angaben der Forscher nur mit den Vorstellungen der Quantenmechanik lösen: Das Neutron muss demnach durch eine so genannte Wellenfunktion beschrieben werden, die aufgrund der geringen Bindungsenergie nur sehr langsam nach außen hin abfällt. Demnach kann das Neutron mit relativ hoher Wahrscheinlichkeit in klassisch verbotene Bereiche vordringen und den ausgedehnten Heiligenschein verursachen.
(idw - Universität Mainz, 18.02.2009 - DLO)

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