07.09.2018

Auf dem Weg zu einem globalen Modell der Kernstruktur

Messung der Kernradien von Cadmium­isotopen bestätigt Theorie.

Der Ladungsradius, also die räumliche Ausdehnung der positiven Kern­ladung, ist eine der funda­men­talen Kenn­größen eines Atom­kerns und hinter­lässt seine Spuren im optischen Spektrum eines Atoms, obwohl dieses von der Atom­hülle und den darin befind­lichen Elek­tronen erzeugt wird. Das Spektrum jeder Atom­sorte ist einzig­artig wie ein Finger­abdruck und kann mit Laser­licht präzise ver­messen werden. So können Infor­ma­tionen über die Größe und Eigen­schaften des Atom­kerns gewonnen werden. Die Technik eignet sich auch für sehr kurz­lebige Kerne. Laser­spektro­sko­pische Messungen an einer langen Kette von Cadmium­isotopen bestätigen nun ein spezi­elles Kern­modell, das ent­wickelt wurde, um das unge­wöhn­liche Ver­halten der Radien von Calcium­isotopen zu beschreiben.

Abb.: Die COLLAPS-Apparatur an der Isotopen­fabrik ISOLDE am CERN. (Bild: COLLAPS Coll.)

Vor zwei Jahren präsentierten Forscher der TU Darmstadt Radien­messungen exo­tischer Calcium­isotope, die mit keinem der gängigen Kern­modelle zu erklären waren. Inzwischen wurde von Theo­re­tikern ein weiter­ent­wickeltes Modell präsen­tiert. Es beruht auf der Kern­dichte-Funktional­theorie und seine Para­meter wurden speziell an den Ver­lauf der Calcium­radien ange­passt. Das Modell zeigte bei einigen Kernen mit ähn­licher Größe wie Calcium bereits eine gute Über­ein­stim­mung zwischen Theorie und Mess­ergeb­nissen.

Erklärtes Ziel der Kernstrukturtheorie ist es jedoch, ein möglichst globales Modell zu erhalten, welches für einen großen Bereich der Nuklid­karte gültig ist. Die Vor­her­sage­kraft des neuen Modells wurde jetzt anhand von Radien­messungen an mehr als dreißig Cadmium­isotopen getestet, die etwa zwei­ein­halb Mal so viel Masse auf die Waage bringen wie jene Calcium­kerne, für die es zunächst auf­ge­stellt wurde. Ein Team der TU Darm­stadt um Wilfried Nörters­häuser hat diese Messungen gemein­sam mit Kollegen des MPI für Kern­physik in Heidel­berg, der Uni Mainz und zahl­reichen aus­län­dischen Partnern an der Isotopen­fabrik ISOLDE am CERN durch­ge­führt.

Die Ergebnisse sind die in exzellenter Über­ein­stimmung mit den theo­re­tischen Vor­her­sagen. Das ist bemerkens­wert, da die Ladungs­radien als prin­zi­piell theore­tisch schwierig zu beschrei­bende Größe gelten. Das gilt vor allem für die aus­ge­prägten kleinen Schwan­kungen des Kern­radius zwischen Isotopen mit gerader und ungerader Massen­zahl, die mit den hoch­präzisen neuen Messungen sehr fein auf­ge­löst werden. Die Forschungs­gruppe hat inzwischen begonnen, weitere Ketten in der Nach­bar­schaft der Cadmium­isotope zu unter­suchen, um fest­zu­stellen, ob die Theorie auch dort ähn­lich erfolg­reich ange­wendet werden kann. Das wäre ein wich­tiger Schritt auf dem Weg zur Ent­wick­lung eines globalen Modells der Kern­struktur.

TU Darmstadt / RK

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