23.01.2017

Einblicke ins Atom

Neues Verfahren zur Untersuchung von Atom­kernen entwickelt.

Es ist nicht leicht, die kleinsten Bausteine der Materie in Augen­schein zu nehmen. Während sich Atome mit einer Größe von einigen Piko­metern mit Raster­tunnel­mikro­skopen noch in ihren Umrissen sichtbar machen lassen, sind Nah­auf­nahmen der Atom­kerne auf direktem Wege bislang ganz und gar unmög­lich: Wie eine dichte Atmo­sphäre oft­mals den Blick auf ferne Planeten verhüllt, so verdeckt eine Wolke von Elek­tronen, die sich um den Atom­kern bewegen, die Sicht ins Innere eines Atoms. „Die Elek­tronen­hülle bestimmt nicht nur die Festig­keit und che­mischen Bin­dungen aller uns umge­benden Stoffe, sie ist auch wesent­lich größer als der Atom­kern“, sagt Stephan Fritzsche von der Uni Jena. Ihr Durch­messer beträgt etwa das Hundert­tausend­fache des Durch­messers des Atom­kerns. Um die Kerne dennoch direkt zu errei­chen, müssen sich die Forscher daher etwas ein­fallen lassen.

Fritzsche und seine Kollegen stellen jetzt eine Methode vor, mit der die Forscher den Schleier der Elek­tronen­wolke lüften und die Atom­kerne gezielt anregen können. Dabei gelingt es ihnen nicht nur die Elek­tronen­wolke zu durch­dringen: Sie nutzen die eigen­willigen Sprünge der Elek­tronen sogar, um neue Kern­zu­stände zu ermög­lichen. Grund­lage der Unter­suchungs­methode ist die Zwei-Photonen-Emissions­spektro­skopie. „Dazu schickt man elektro­magne­tische Strahlung in eine Probe des zu unter­suchenden Elementes“, erläu­tert Andrey Volotka aus Fritz­sches Arbeits­gruppe. Die Elek­tronen in der Atom­hülle werden von der Strahlung ange­regt und gehen in einen ener­ge­tisch höheren Zustand über, in dem sie aller­dings nur für sehr kurze Zeit ver­weilen und von wo sie anschlie­ßend in ihren ursprüng­lichen Zustand zurück­fallen. Jedes ange­regte Atom gibt dabei seine Energie in Form zweier Photonen wieder ab.

„Dem von uns vorgeschlagenen Mechanismus zufolge wird eines dieser Photonen jedoch vom Atom­kern absor­biert und regt diesen selbst an“, so Volotka. Diese Anregung des Atom­kerns lässt sich – ebenso wie die des verblei­benden zweiten Photons – spektro­skopisch nach­weisen. Die beob­acht­baren Signale in den Photonen­spektren geben den Forschern Auf­schluss über die Struktur des Atom­kerns und dessen Wechsel­wirkung mit den Elek­tronen. „Damit können isomere Zustände der Atom­kerne bestimmt werden, die ver­gleichs­weise lang­lebig sind“, nennt Fritzsche einen Vor­teil der Methode. „Lang­lebig“ bedeutet für die Physiker in diesem Fall von Bruch­teilen einer Sekunde bis hin zu mehreren Minuten. Die in gängigen Stoß­experi­menten ange­regten Kern­zu­stände haben dagegen typische Lebens­dauern im Atto­sekunden­bereich.

Bisher ist dieser neue Mechanismus allerdings nur ein theore­tischer Vorschlag, den die Forscher aber gemein­sam mit Kollegen aus Braun­schweig, Darm­stadt und Dresden mit Computer­simu­la­tionen bestä­tigen konnten. „Das ist in erster Linie Grund­lagen­forschung“, macht Fritzsche deut­lich. Viel­leicht, so der Physiker, lassen sich die Erkennt­nisse jedoch eines Tages auch nutz­bringend anwenden, etwa in Form hoch­präziser Atom­uhren, die dann auf Kern­über­gängen beruhen und eine nennens­wert höhere Präzi­sion ver­sprechen.

FSU / RK

Sonderhefte

Physics' Best und Best of
Sonderausgaben

Physics' Best und Best of

Die Sonder­ausgaben präsentieren kompakt und übersichtlich neue Produkt­informationen und ihre Anwendungen und bieten für Nutzer wie Unternehmen ein zusätzliches Forum.

Veranstaltung

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Spektral vernetzt zur Quantum Photonics in Erfurt

Die neue Kongressmesse für Quanten- und Photonik-Technologien bringt vom 13. bis 14. Mai 2025 internationale Spitzenforschung, Industrieakteure und Entscheidungsträger in der Messe Erfurt zusammen

Meist gelesen

Photo
08.11.2024 • NachrichtForschung

Musik als Zeitreihe

Analyse von musikalischen Tonhöhensequenzen ergibt interessante Unterschiede zwischen verschiedenen Komponisten und Musikstilen.

Themen