Einblick in die Magie des Atomkerns

Mit Hilfe von Präzisions­massen­messungen am europä­ischen Forschungs­zentrum CERN konnte eine inter­nationale Forschungs­gruppe erstmals die Masse des instabilen Cadmium­isotops Cd-132 bestimmen. Daraus ermittelte das Team, ob und wie sich die magischen Zahlen auf die inneren Strukturen der Cadmium­isotope auswirken. Die Ergebnisse bestätigen, dass sich die magischen Zahlen von Protonen und Neutronen verstärken.

Die magischen Zahlen der Kernphysik sind ein wichtiges Merkmal der inneren Struktur von Atom­kernen. Denn Atom­kerne mit magischen Protonen- oder Neutronen­zahlen bilden quanten­mechanische Schalen­abschlüsse und haben eine hohe Bindungs­energie. Sie sind also sehr stabil wie beispiels­weise das Zinn­isotop Sn-132, das genau 50 Protonen und 82 Neutronen besitzt. Bei der Bestimmung der Kern­bindungs­energien von instabilen Isotopen wie dem Cadmium­isotop Cd-132 stehen Forscher zunächst einmal vor der Heraus­forderung, die Masse der Atom­kerne zu messen, die inner­halb kürzester Zeit zerfallen. Die Atom­kerne der beiden Cadmium­isotope Cd-131 und Cd-132 haben beispiels­weise eine Halb­werts­zeit von unter hundert Milli­sekunden.

Die Masse des exotischen Cadmium­isotops Cd-132 konnte jetzt erstmals mit Hilfe eines Multi­reflexions-Flug­zeit-Massen­spektro­meters bestimmt werden. Dieses Spektro­meter ist eine an der Uni Greifswald entwickelte Erweiterung des Präzi­sions­experi­ments ISOLTRAP am europä­ischen Forschungs­zentrum CERN. Zusätz­lich zu den Massen­messungen mit dem Spektro­meter wurden die kreis­förmigen Bewegungen der entspre­chenden ionisierten Atome mittels Phasen­uhren in Penning­fallen bestimmt. Dadurch wird das Auf­lösungs­vermögen der Massen­messungen erhöht.

Die gemessenen Kernmassen sind Grundlage für die Berechnung der Kern­bindungs­energien, die wiederum ein Maß für die Kern­stabi­lität sind. Das unter­suchte Cadmium­isotop Cd-132 ist das bislang schwerste vermessene Isotop des Elements Cadmium. Es besitzt 48 Protonen und 84 Neutronen. Damit über­trifft es die magische Zahl 82 um genau zwei Neutronen. Durch die Präzisions­massen­messungen wurde der Neutronen­schalen­abschluss nun experi­men­tell voll­ständig charak­teri­siert. Die Unter­suchung zeigte, dass der jetzt vermessene Neutronen­schalen­abschluss beim Cadmium viel schwächer ausge­prägt ist als der beim doppelt-magischen Zinn-132. Ein Vergleich der beiden Isotope verdeut­licht also, dass sich die magischen Zahlen von Neutronen und Protonen verstärken.

Auf Basis der experimentellen Ergeb­nisse wurden außerdem Modell­ansätze für Kern­struktur­rechnungen getestet. Sie bestätigen, dass die Berech­nungen eines inter­natio­nalen Teams von Forschern der TU Darmstadt, der Uni Mainz, sowie aus Barcelona und Vancouver sehr gut wieder­geben, wie sich die Stabilität bei den Abschlüssen der Protonen- und Neutronen gegen­seitig verstärkt.

U. Greifswald / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  V. Manea et al.: First glimpse of the N = 82 shell closure below Z = 50 from new masses of cadmium isotopes and isomers, Phys. Rev. Lett. 124, 092502 (2020); DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.092502
• Experiment ISOLTRAP, CERN – Europäische Organisation für Kernforschung
• Atom- und Molekülphysik, Institut für Physik, Universität Greifswald