12.09.2018

Weg zu einem globalen Modell der Kernstruktur

Laserspektroskopische Messungen an einer langen Kette von Cadmiumisotopen.

Physiker der Technischen Univer­sität Darmstadt und ihre Kolla­borations­partner haben mit laser­spektro­skopischen Messungen an Cadmium­isotopen ein verbessertes Modell des Atomkerns bestätigt. Es wurde entwickelt, um das ungewöhnliche Verhalten der Radien von Calcium­isotopen zu beschreiben. Die Ergebnisse könnten ein Schritt zu einem globalen Modell der Kern­struktur sein.

Abb.: Frequenzvervierfachung für die Erzeugung von 215 Nanometer Licht zur Spektroskopie der Cadmiumisotope. (Bild: M. Hammen)

Der Ladungs­radius ist eine der funda­mentalen Kenngrößen eines Atomkerns und hinterlässt seine Spuren im optischen Spektrum eines Atoms, obwohl dieses von der Atomhülle und den darin befind­lichen Elektronen erzeugt wird. Das Spektrum jeder Atomsorte ist einzig­artig wie ein Finger­abdruck und kann mit Laserlicht präzise vermessen werden. So können Informationen über die Größe und Eigen­schaften des Atomkerns gewonnen werden. Diese Technik eignet sich auch für sehr kurzlebige Kerne. Laser­spektro­skopische Messungen an einer langen Kette von Cadmium­isotopen bestätigen nun ein spezielles Kernmodell, das entwickelt wurde, um das unge­wöhnliche Verhalten der Radien von Calcium­isotopen zu beschreiben.

Vor zwei Jahren präsen­tierten Physiker der TU Darmstadt Radien­messungen exotischer Calcium­isotope, die mit keinem der gängigen Kernmodelle zu erklären waren. Inzwischen wurde von Theoretikern mit Beteiligung der Univer­sität Erlangen-Nürnberg und des NSCL (USA) ein weiter­entwickeltes Modell präsentiert. Es beruht auf der Kerndichte-Funktional­theorie, und seine Parameter wurden speziell an den Verlauf der Calcium­radien angepasst. Das Modell zeigte bei einigen Kernen mit ähnlicher Größe wie Calcium bereits eine gute Überein­stimmung zwischen Theorie und Messer­gebnissen.

Erklärtes Ziel der Kernstruktur­theorie ist es jedoch, ein möglichst globales Modell zu erhalten, welches für einen großen Bereich der Nuklid­karte gültig ist. Die Vorher­sagekraft des neuen Modells wurde nun anhand von Radien­messungen an mehr als dreißig Cadmiumisotopen getestet, die etwa zweieinhalb Mal so viel Masse auf die Waage bringen wie die besagten Calciumkerne, für die es zunächst aufgestellt wurde. Das Darmstädter Team um Wilfried Nörters­häuser hat diese Messungen gemeinsam mit Kollegen des Max-Planck Instituts für Kernphysik in Heidelberg, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und zahlreichen auslän­dischen Partnern an der Isotopen­fabrik Isolde am Cern durchge­führt.

Die Ergebnisse zeigen eine exzellente Überein­stimmung mit den theo­retischen Vorher­sagen. Dies ist bemerkenswert, da die Ladungs­radien als prinzipiell theoretisch schwierig zu beschrei­bende Größe gelten. Das gilt vor allem für die ausge­prägten kleinen Schwankungen des Kernradius zwischen Isotopen mit gerader und ungerader Massen­zahl, die mit den hoch­präzisen neuen Messungen sehr fein aufgelöst werden. Die Forschungs­gruppe hat inzwischen begonnen, weitere Ketten in der Nachbar­schaft der Cadmium­isotope zu untersuchen, um festzu­stellen, ob die Theorie auch dort ähnlich erfolg­reich angewendet werden kann. Dies wäre ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung eines globalen Modells der Kern­struktur.

TU Darmstadt / JOL

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