Wann sind Atomkerne 'magisch'?

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Das Schalenmodell für Atomkerne scheint bei allzu großem Neutronenüberschuss bei leichteren und mittelschweren Elementen seine Gültigkeit zu verlieren.

East Lansing (USA) - Magische Zahlen von Protonen und Neutronen bestimmen über die Stabilität eines Atomkerns. So erfolgreich dieses Schalenmodell für viele Kerne anwendbar ist, scheint es bei allzu großem Neutronenüberschuss bei leichteren und mittelschweren Elementen seine Gültigkeit zu verlieren. Ein Team von amerikanischen und britischen Physikern nahm nun einen exotischen Siliziumkern mit 14 Protonen und 28 Neutronen genauer unter die Lupe. Wie sie in der Fachzeitschrift "Nature" berichten, zeigte sich dieser Kern trotz des enormen Neutronenüberschusses in einer erstaunlich regelmäßigen, kugelförmigen Struktur. Ein Anzeichen für einen "doppelt magischen" Charakter.

"Ob sich die Schalenabschlüsse und die magischen Zahlen in sehr neutronenreichen Kernen ändern, ist eine fundamentale und zur Zeit offene Frage", erläutern Paul Cottle von der Florida State University in Tallahassee und seine Kollegen vom National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Michigan State University in East Lansing und der University of Surrey im britischen Guildford. Bisher galt es als erwiesen, dass sehr viele Neutronen in mittelschweren Kernen zu einer Deformation des Kerns und einer damit verbundenen Instabilität führten. Doch die Beobachtungen an 42-Si scheinen genau dies zu widerlegen. Zudem legen die Ergebnisse nahe, dass die Protonenanzahl 14 - bisher nicht in der Reihe magischer Zahlen (Z= 2, 20, 28, 50, 82) vertreten - wegen des Abschlusses einer Unterschale durchaus magischen Charakter aufweist.

Die aufwändigen Experimente führten die Physiker am Zyklotron-Beschleuniger "Coupled Cyclotron Facility" an der Michigan State University durch. Ausgehend von einem Strahl aus stabilen 48-Calcium-Kernen erhielten sie über Zerfallsprozesse die exotischen Kerne 44-Schwefel und 46-Argon. Leitet man 44-S weiter auf eine dünne Beryllium-Probe kommt es zu einer so genannten "Proton-Knockout-Reaktion". Dabei streift der 44-S-Kern ein oder zwei Protonen ab und übrig bleiben die gewünschten Kerne 43-Phosphor und schließlich 42-Silizium. Die Zerfallsprozesse und Knockout-Reaktionen konnten die Forscher mit empfindlichen Germanium-Detektoren verfolgen.

Eine Spule des K500 Zyklotrons an der Michigan State University vor dem Einbau. (Quelle: NSCL)

"Diese Studien zeigen, dass im 42-Si-Kern die magische Neutronenzahl 28 durchaus gültig bleibt trotz des enormen Neutronenüberschusses", sagt Robert V. F. Janssens vom Argonne National Laboratory in einem begleitenden Kommentar in der gleichen Ausgabe von "Nature". Doch das allein reiche nicht aus, um die die Bildung von 42-Si über einen sehr seltenen doppelten Proton-Knockout-Prozess erklären zu können. Vielmehr müsse ebenfalls die Protonenzahl 14 als magisch angesehen werden. Denn nur in einem doppelt magischen Kern könne mit dem nahezu kugelförmigen und wenig deformierten Aufbau - wie bei 42-Si beobachtet - gerechnet werden.

Dieses Ergebnis legt nahe, dass das Schalenmodell für Atomkerne noch nicht vollkommen verstanden ist. Vielmehr müssen auch Abschlüsse von Unterschalen analog zum Schalenmodell der Elektronen mehr berücksichtigt werden. Neben einem Erkenntnisgewinn über die Stabilität und die Struktur von exotischen Atomkernen können solche Experimente auch in die Erklärungen der Elementbildungen bei Sternenexplosionen einfließen. Gerade für die Bildung von Kernen, die schwerer als Kohlenstoff oder Sauerstoff sind, könnten solche Experimente mit kurzlebigen, exotischen Kernen wertvolle Informationen liefern.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  J. Fridmann et al., ‘Magic’ nucleus 42Si, Nature 435, 922 (2005).   
• Kommentar:
  Robert V. F. Janssens, Elusive magic numbers, Nature 435, 897 (2005).   
• Florida State University, Tallahassee: 
  http://www.fsu.edu/   
• Dep. of Physics: 
  http://www.physics.fsu.edu/   
• Michigan State University: 
  http://www.msu.edu   
• National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL): 
  http://www.nscl.msu.edu   
• Hintergrund - Magische Zahlen:
  http://www.weltderphysik.de/.../kerne/stabilitaet/index.html   
• Hintergrund - Insel der Stabilität:
  http://www.weltderphysik.de/.../magazin/schwerionen/index.html   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Magische Zahlen finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Kernphysik (es gibt auch interessante deutsche Dokumente).

Weitere Literatur:

• Mayer, M. G. & Jensen, J. H. D. Elementary Theory of Nuclear Shell Structure (Wiley, New York, 1955).   
• Warner, D. Nature 430, 517–518 (2004).   
• Morrissey, D. J. et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 204, 90–96 (2003).   
• Bazin, D. et al. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B 204, 629–633 (2003).