Laserspektroskopie bringt versteckte Kerneigenschaften zum Vorschein
Hochpräzise Vermessungen des Fermium-255-Kerns bestätigen moderne Kernmodelle und begünstigen Suche nach superschweren Elementen.
Erstmals ist es Forschenden gelungen, die Form des Atomkerns von Fermium-255 zu bestimmen und dessen Struktur mit hoher Präzision und Auflösung zu vermessen. Dieser Erfolg stützt moderne theoretische Modelle und eröffnet neue Möglichkeiten für das Verständnis der Eigenschaften der schwersten Atomkerne.
Die Untersuchung der Formen von Atomkernen liefert wichtige Erkenntnisse über deren innere Struktur. Bei sehr schweren Nukliden hängt die Kernform eng mit ihrer Stabilität gegenüber der spontanen Kernspaltung zusammen und ist daher ein entscheidender Faktor bei der Suche nach langlebigeren superschweren Elementen. Die Spontanspaltung beruht auf der starken gegenseitigen Abstoßung der vielen Protonen in schweren Kernen und beschränkt letztlich die Existenz von Elementen jenseits von Uran.
Da solche Kerne nur künstlich und in äußerst begrenzter Menge hergestellt werden können, stellt ihre Untersuchung eine große Herausforderung dar. Ihre Erforschung erfordert spezielle Produktionsverfahren sowie hochempfindliche experimentelle Techniken. In der vorliegenden Arbeit führten komplexe Produktionswege, die sich über mehrere Jahre und verschiedene Einrichtungen erstreckten, zu Proben, die nur einige Milliarden Atome enthielten. Dies reichte dennoch aus, um hochpräzise Laserspektroskopie an Fermium-255 durchzuführen, dessen Kern 100 Protonen und 155 Neutronen enthält. Da die atomaren Energieniveaus in der Elektronenhülle von 255Fm-Atomen empfindlich auf Kerneigenschaften reagieren, konnten die Forschenden durch deren Untersuchung Informationen über die Kernform gewinnen.
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Die Experimente wurden im Rahmen einer internationalen Kollaboration von Wissenschaftler:innen und Ingenieur:innen aus achtzehn Institutionen durchgeführt – unter der Leitung der Johannes Gutenberg-Universität, des Helmholtz-Instituts Mainz als Außenstelle von GSI/FAIR und der Universität Göteborg in Schweden, an der auch die Erstautorin der aktuellen Studie, Mitzi Urquiza-González, tätig ist. Hübner Photonics trug zum Projekt bei, indem sie Urquiza während ihrer Promotion aufnahm und unterstützte sowie ihre Expertise im Bereich fortschrittlicher Lasertechnologie zur Verfügung stellte, die für die erfolgreiche Durchführung des Experiments von entscheidender Bedeutung war.
Die Kombination der experimentellen Daten zur Hyperfeinstruktur des optischen Spektrums mit modernsten atomtheoretischen Berechnungen erlaubte den Forschenden die Feststellung, dass der Fermium-255-Kern stark länglich deformiert ist und einem Rugbyball ähnelt. Die neuen Messungen korrigieren unphysikalische Werte in Standardtabellen, die auf früheren Berichten basieren, und lassen sich durch modernste Kernmodelle gut beschreiben.
Die innersten Elektronen bewegen sich sehr nahe am Kern und reagieren daher empfindlich auf dessen Größe, Form und magnetische Eigenschaften. Durch die Untersuchung dieser Effekte mit hochpräziser Laserspektroskopie können Forschende Erkenntnisse über die Struktur des Kerns gewinnen. Dazu wird Laserlicht auf die Atome gerichtet und dessen Frequenz sorgfältig abgestimmt, um winzige Veränderungen in den Energieniveaus der Elektronen zwischen den Quantenzuständen nachzuweisen.
Ein zweiter elektromagnetischer Effekt tritt bei Kernen auf, die eine ungerade Anzahl von Neutronen enthalten: Sie wirken wie winzige Magnete. Insgesamt führt das Zusammenspiel solcher Kerne mit ihrer Elektronenhülle zu einer winzigen Aufspaltung der elektronischen Übergänge in mehrere eng beieinanderliegende Niveaus. Dies wird als Hyperfeinwechselwirkung bezeichnet. Diese Aufspaltungen lassen sich mithilfe von fortschrittlichen Laserspektroskopie-Verfahren hochpräzise vermessen, woraus detaillierte Informationen über den Kern gewonnen werden.
Die hochempfindlichen Laserspektroskopie-Messungen wurden am RISIKO-Separator der JGU durchgeführt. Im Experiment wurden die Fermium-Proben auf etwa tausend Grad erhitzt, wodurch Atome verdampften. Diese Atome wurden anschließend mit Laserlicht bestrahlt. Die resonante Anregung führte zur Ionisierung, was einen selektiven Nachweis ermöglichte. Dem Team gelang es, die Hyperfeinstruktur zweier optischer Übergänge aufzulösen – ermöglicht durch maßgeschneiderte Ti:Saphir-Lasersysteme und umfassende Fachkenntnisse im Umgang mit extrem kleinen Probenmengen.
Zur Interpretation der experimentellen Spektren wurden an der Jagiellonen-Universität in Krakau und am HIM in Mainz spezielle atomtheoretische Berechnungen durchgeführt. Diese Berechnungen bestätigten die stark deformierte Kernform und ergaben ein magnetisches Dipolmoment, das von zuvor tabellierten Werten abweicht und diese korrigiert. [JGU / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichungen
M. Urquiza-González, M. Stemmler, T. E. Albrecht, et al., High-Resolution Laser Spectroscopy on the Hyperfine Structure of 255Fm (𝑍 = 100), Phys. Rev. Lett. 136, 192501, 15. Mai 2026, DOI: 10.1103/2813-b49x - Laser Spectroscopy Research group (Dag Hanstorp), Department of Physics, University of Gothenburg
- LARISSA Group (Klaus Wendt), Fachbereich Physik, Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Anbieter
HÜBNER Photonics GmbHWilhelmine-Reichard Strasse 6
34123 Kassel
Deutschland
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