Doppelt-magisches Nickel

Ein inter­nationales Wissenschaft­lerteam mit Beteiligung von Kern­physikern der Technischen Univer­sität Dresden hat die Kernbindungs­energien exotischer kurz­lebiger Kupfer­isotope bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass das Nickel­isotop Ni-78 einen doppelt-magischen Charakter aufweist und bei der Element­entstehung in Sternen eine wichtige Rolle spielt.

Atomkerne mit einer „magischen“ Anzahl an Neutronen oder Protonen sind besonders stabil, wobei Zahlen wie 8, 20, 28, 50, 82 oder 126 als magisch gelten. Diese Kerne besitzen eine hohe Kernbindungs­energie. Daher spielen sie bei der Element­entstehung in Sternen eine besondere Rolle, wenn durch Fusions­prozesse oder Stern­explosionen neue Kerne gebildet werden. Von großem Interesse für die Kernphysik ist das Nickel­isotop Ni-78 mit 28 Protonen und 50 Neutronen, denn es ist möglicher­weise ein Wartepunkt mit erhöhter Lebens­dauer, der die Bildung schwererer Kerne begünstigt.

Durch Fusions­prozesse in Sternen sind lediglich die chemischen Elemente bis zum Eisen zugänglich. Schwerere Elemente wie Kupfer, Zink, Gold oder Uran bilden sich erst bei einer Sternen­explosion oder aus kolli­dierenden Neutronen­sternsystemen. Allerdings ist es bislang nicht gelungen, die Kernbindungs­energie des Isotops Ni-78 direkt zu messen – einen jener Parameter, deren Werte Aufschluss darüber geben, mit welcher Wahrschein­lichkeit ein Element beim Sterben eines Sterns erzeugt wird und wie wichtig dieser Produk­tionspfad somit im Allge­meinen für die Bildung schwerer Kerne ist.

Andree Welker und Kai Zuber vom Institut für Kern- und Teilchen­physik der TU Dresden haben nun gemeinsam mit einem inter­nationalen Team quasi die nächsten Verwandten des Nickel­isotops vermessen. Am ISOLTRAP Expe­riment am euro­päischen Forschungs­zentrum Cern wurden die Massen der Kupfer­isotope Cu-75 bis Cu-79 bestimmt. Cu-79 unter­scheidet sich von Ni-78 lediglich durch ein zusätz­liches Proton im Kern. Für ihre Versuche produ­zierten die Physiker die Nuklide, indem sie Uran mit Neutronen beschossen. Die ent­stehenden Isotope wurden in ein Präzisions­massenspek­trometer gelenkt, das die einzelnen Sorten von Atomkernen sehr effektiv voneinander separieren kann.

In einem Multi­reflexions-Flugzeit­spektrometer wird der Teilchen­strahl viele Male reflektiert, so dass die Teilchen Flugwege von mehreren hundert Metern zurück­legen. Schwere Kerne fliegen langsamer als leichte, so dass die Isotop-Sorten voneinander separiert und gemessen werden können. Die zu unter­suchenden Teilchen werden anschließend in eine Penning-Falle gelenkt, wo man ihre Massen noch präziser bestimmen kann, sofern es ihre Lebens­dauer und die Teilchen­menge zulässt. Ein Magnet­feld zwingt die Ionen in der Falle auf eine kreisförmige Bahn, wobei Elektroden verhindern, dass die Ionen dabei entkommen können. Durch Vermessen der Resonanz­frequenz lässt sich die Masse der Teilchen sehr genau bestimmen.

Wichtige Ergebnisse in diesen Unter­suchungen wurden mit dem Multi­reflexions-Flugzeit­spektrometer gewonnen, welches zur Bestimmung der Masse des kurz­lebigen Kupfer­isotops Cu-79 verwendet wurde. Von dem Isotop konnten lediglich fünf Ionen pro Sekunde produziert werden. Das Gerät ist für solche geringen Mengen von Atomkernen mit kurzen Halbwerts­zeiten besonders gut geeignet, denn die Messzeit ist besonders kurz. Kon­struiert und gebaut wurde es an der Univer­sität Greifswald. Die erhaltenen Messwerte wurden mit Berech­nungen von Theo­retikern der Univer­sität Straßburg verglichen und zeigten dabei eine exzel­lente Über­einstimmung. Somit ergibt sich ein detail­liertes Bild, wie die Kernstruktur der exotischen Kupfer­isotope beschaffen ist. Dieses lässt den Schluss zu, dass das Isotop Ni-78 eine doppelt-magische Konfi­guration aufweist und damit sehr wichtig in der Produktions­kette von schwereren chemischen Elementen ist.

TU Dresden / JOL