Wann werden Atomkerne instabil?

Wenn der Kern eines Atoms zu viele Neutronen enthält, wird er instabil. Das Atom kann dann zer­brechen – es zer­fällt. Wann das genau passiert, ist von Atom zu Atom unter­schied­lich. „Bisher ließ sich nicht exakt berechnen, bei wie vielen Neutronen dieser Punkt erreicht ist“, erklärt Ulf Meißner von der Uni Bonn. Der Grund: Im Kern wirken unter­schied­liche Kräfte. Die gängigen Algo­rithmen können manche davon genau kalku­lieren, andere jedoch nur näherungs­weise bestimmen.

Anders die Methode, die Meißner und seine Kollegen jetzt in Zusammen­arbeit mit der Uni Bochum sowie ver­schie­denen US-Hoch­schulen ent­wickelt haben. Sie basiert zunächst auf einer Art „Frei­heits­berau­bung“. In der Realität können sich Protonen und Neutronen an belie­bigen Stellen im Raum auf­halten. Für ihre Berech­nungen schränken die Wissen­schaftler diese Frei­heit jedoch ein. „Wir ordnen unsere Kern­teil­chen auf den Knoten­punkten eines drei­dimen­sio­nalen Gitters an“, erläutert Meißners Mit­arbeiter Serdar Elhati­sari. „Wir erlauben ihnen also nur bestimmte, streng defi­nierte Posi­tionen.“ Für eine der­artige Gitter­konfi­gura­tion lässt sich relativ einfach die Bindungs­energie zwischen den Teil­chen bestimmen.

Im nächsten Schritt dürfen die Kernteilchen die Plätze tauschen. Dadurch ent­steht eine neue Gitter­konfi­gura­tion. Wenn diese ener­ge­tisch günstiger ist als die erste, dient sie als Basis für einen erneuten Platz­tausch. „Diesen Schritt wieder­holen wir millionen­fach“, erklärt Meißner. „Wir nähern uns dadurch immer mehr der Kern-Konfi­gura­tion, die ener­ge­tisch optimal ist. Und auf dieser Grund­lage können wir dann berechnen, ob der Kern mit der vor­gege­benen Anzahl von Protonen und Neutronen stabil ist oder nicht.“

Ein solches Monte-Carlo-Verfahren liefert zwar exakte Ergebnisse zu den Bindungs­ver­hält­nissen im Atom­kern. Aus der Zuord­nung der Kern­teil­chen zu bestimmten diskreten Posi­tionen ergeben sich aber auch Nach­teile. So ist es im Normal­fall nicht möglich, die genaue Dichte­ver­tei­lung des Kerns zu berechnen. „Wir haben unser Ver­fahren aber so modi­fi­ziert, dass auch das möglich ist“, betont der Forscher.

Die Ergebnisse erlauben einen detaillierteren Einblick in den Aufbau der Atom­kerne. Die Wissen­schaftler hoffen unter anderem, so die Ent­stehung der Elemente nach dem Urknall besser nach­voll­ziehen zu können. Die Berech­nungen wurden auf dem Super­computer JUQUEEN am Forschungs­zentrum Jülich durch­ge­führt.

RFWU / RK