Menü ausblenden
Menü ausblenden   Internetchemie   |     About   |   Kontakt   |   Impressum   |   Datenschutz   |   Sitemap
Menü ausblenden   Chemie Index   |   Chemie-Lexikon   |   Chemikalien   |   Elemente
Menü ausblenden   Geräte + Instrumente   |  
Menü ausblenden   Jobbörse, Stellenangebote   |  
Menü ausblenden   Crowdfunding Chemie   |     Text veröffentlichen
Home und Neuigkeiten
Chemie A - Z
Produkte, Geräte für Labor und Industrie
Chemikalien und chemische Verbindungen
Stellenbörse für Chemie-Jobs
Impressum, Kontakt
Crowdfunding Chemie

 

Zinn-100: Zerfallsschema entschlüsselt

Sudoku für das Kernmodell - Wissenschaftler entschlüsseln das Zerfallsschema des doppelt magischen Zinn-100.




Abbildung 1 - Hier werden die Gammastrahlen vom Zinn-100-Zerfall gemessen: Blick auf das Experiment am GSI. Im Zentrum des 'Igels' aus 105 mit flüssigem Stickstoff gekühlten Gamma-Detektoren werden die Fragmente gestoppt und mit 25 großen Teilchendetektoren wird der Zeitpunkt und die frei werdende Energie beim Beta-Zerfall vermessen. [Bild: Thomas Faestermann / TUM]
Zinn-100 Experiment

Abbildung 2 - Der 75 Meter lange Fragmentseparator, der die Zinn-100-Isotope aus einem Gemisch vieler Teilchen herausfiltert. [Bildquelle: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung]
Fragmentseparator

Wie entstehen schwere Elemente im Universum? Für die Beantwortung dieser Frage ist eine genaue Vorstellung vom Aufbau der Atomkerne unverzichtbar. Ein internationales Team von Wissenschaftlern hat nun mit einem Experiment an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt das Zerfallsschema eines der selteneren instabilen Zinn-Isotope - Zinn-100 - entschlüsselt. Die im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlichten Ergebnisse (siehe unten) helfen, das Kernstruktur-Modell zu verbessern und zu erweitern.

Mit Modellen können Wissenschaftler Vorgänge im Universum erklären und vorhersagen, die sich nicht direkt messen oder beobachten lassen. Je genauer dabei das Modell ist, umso verlässlicher die Erklärungen. Die Einblicke, die das Zerfallsschema von Zinn-100 in die Struktur von Atomkernen gibt, machen bessere Modellvorhersagen für instabile Isotope möglich.

Die Wissenschaftler haben beim Zerfall des Zinn-100-Kerns die frei werdende Energie gemessen, die stufenweise über Kaskaden abgegeben wird. Herauszufinden wie diese Kaskaden verlaufen, ist wie eine Knobelaufgabe. "Bei einem Zerfallsschema gibt es genauso viele Möglichkeiten wie bei einem schwierigen Sudoku-Rätsel", sagt Jürgen Gerl, Leiter der Forschungsabteilung für Gamma-Spektroskopie bei GSI. "Wir haben einige Kästchen vorgegeben, aber den Rest müssen wir richtig kombinieren. Und ist eine Zahl falsch, stimmt das gesamte Ergebnis nicht."

Nach intensiver Datenauswertung blieb nur eine Möglichkeit übrig: Anstatt wie ursprünglich vermutet in einer Zerfallskaskade, zerfällt Zinn-100 in zwei parallelen Kaskaden. Dabei findet ein sogenannter "superallowed Gamow-Teller-Übergang" statt, ein energetisch besonders günstiger Übergang. "Gamow-Teller-Übergänge spielen eine wesentliche Rolle in Kernreaktionen, die in Sternexplosionen, so genannten Supernovae, ablaufen. In Supernovae entstehen die schweren Elemente jenseits des Eisens", sagt Magdalena Górska, Wissenschaftlerin bei GSI und stellvertretende Sprecherin des Experiments.

Der Zinn-100-Kern ist bei Physikern für die Erforschung der Kernstruktur besonders begehrt. Er besteht aus 50 Protonen und 50 Neutronen, die jeweils abgeschlossene Schalen bilden und somit für eine besondere Stabilität sorgen. Ähnlich wie Elektronen in der Atomhülle von Edelgasen. Zinn-100 ist der schwerste Atomkern mit zwei abgeschlossenen Schalen, der dabei ebenso viele Protonen wie Neutronen besitzt. Seine innere Struktur ist im Vergleich zu anderen Atomkernen relativ einfach. Deshalb ist er besonders geeignet, um bestehende Modelle zu überprüfen und zu verbessern.

Die Herstellung des für die Wissenschaftler so begehrten Forschungsobjekts ist nur mit großem technischem Aufwand möglich. In der mehreren hundert Meter langen Beschleunigeranlage bei GSI werden Ionen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und auf Materie geschossen. Dabei entsteht in sehr seltenen Fällen ein Zinn-100 Kern. Der erste Zinn-100-Kern überhaupt wurde an der GSI-Beschleunigeranlage im Jahr 1994 hergestellt und nachgewiesen. Da der Teilchenbeschleuniger bei GSI mittlerweile jedoch höhere Intensitäten hat, können mehr Zinn-100-Kerne hergestellt werden. Für das Experiment standen somit mehr als 200 Zinn-100-Kerne zur Verfügung - genug, um verlässliche Ergebnisse zu bekommen.

Mit der Beschleunigeranlage FAIR, die gerade bei GSI gebaut wird, soll bis 2018 die Produktionsrate für Zinn-100 und viele andere seltene Isotope um bis zu 10.000fach erhöht werden. Damit erhoffen sich die Wissenschaftler eine so große Präzision der Messergebnisse, dass die Modelle zur Beschreibung der Struktur der Atomkerne wesentlich verbessert werden und damit das Verständnis über die Entstehung der Elemente im Universum.

Autoren des Artikels sind 62 Wissenschaftler aus 14 Ländern von 21 Instituten. Die Leitung lag bei der TU München.

 

 

Pressemitteilung der TU München

Zinn-100, ein doppelt magischer Kern - Schlüsselexperiment der Kernphysik

Wenige Minuten nach dem Urknall gab es im Universum nur die Elemente Wasserstoff und Helium. Alle anderen chemischen Elemente entstanden erst sehr viel später. Physikern der Technischen Universität München (TUM), des Exzellenzclusters Universe und des Helmholtz-Instituts für Schwerionenforschung (GSI) ist es nun gelungen, Zinn-100 herzustellen, ein zwar sehr instabiles, aber für das Verständnis der Bildung schwererer Elemente sehr wichtiges Element.

Stabiles Zinn, so wie wir es kennen, besitzt 112 Kernteilchen, 50 Protonen und 62 Neutronen. Die Neutronen wirken dabei gewissermaßen wie ein Puffer zwischen den sich elektrisch abstoßenden Protonen und verhindern, dass normales Zinn zerfällt. Nach dem Schalenmodell der Kernphysik ist die 50 eine "magische Zahl", bei der besondere Eigenschaften auftreten. Zinn-100 ist mit 50 Protonen und 50 Neutronen "doppelt magisch" und daher für die Kernphysik besonders interessant.

Indem sie Xenon-124 Ionen mit beinahe Lichtgeschwindigkeit auf ein Beryllium-Blech schossen, gelang es einem Physikerteam der TU München, des Exzellenzclusters Universe und der GSI in Darmstadt, Sn-100 herzustellen und ihren Zerfall zu analysieren. Mit den eigens entwickelten Teilchendetektoren konnten sie, Halbwertszeit und Zerfallsenergie des Zinn-100 und seiner Folgeprodukte vermessen und unter anderem eine Voraussage theoretischer Physiker bestätigen, dass Zinn-100 von allen Atomkernen den "schnellsten" Beta-Zerfall hat. Dabei spaltet der Kern ein Neutron, ein Positron und ein Neutrino ab und wird zu einem Isotop des Elements Indium.

Demnächst soll das Experiment am Forschungszentrum RIKEN in Japan wiederholt werden. Dort gibt es inzwischen eine höhere Strahlintensität, die noch präzisere Messungen ermöglicht. Ziel der Forschungsarbeiten ist ein besseres Verständnis der Vorgänge bei der Entstehung der schweren Elemente in Explosionen an der Oberfläche kompakter Sterne. Außerdem hofft man, aus den Messungen Rückschlüsse auf die Neutrinomasse ableiten zu können.

Die Arbeit wurde unterstützt mit Mitteln des BMBF, der GSI, des DFG-Exzellenzclusters Origin and Structure of the Universe, der EU (I3-EURONS) und des Swedish Research Council.

 

 

Pressemitteilung der Univerität Köln

Schwerstes symmetrisches doppeltmagisches Isotop untersucht

Einer Gruppe internationaler Kernphysiker ist es gelungen, das Isotop Zinn-100, einen sehr exotischen instabilen Atomkern, in genügender Menge zu erzeugen und seinen Zerfall zu messen. Das Isotop mit dem wissenschaftlichen Namen 100Sn hat den schwerstmöglichen "doppelt-magischen" Kern mit gleicher Zahl von Protonen und Neutronen. Wie die Wissenschaftler in "Nature" berichten, wurde die Stärke dieses Zerfalls zum ersten Mal experimentell bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass von allen bisher untersuchten Atomkernen beim Isotop 100Sn der Beta-Zerfall am stärksten ist. Die Messungen wurden in Rahmen des RISING Projekts an GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt durchgeführt. Kernstück dieses Experimentieraufbaus sind die EUROBALL Cluster Detektoren für hochauflösende Spektroskopie von Gamma-Strahlung, die am Institut für Kernphysik der Universität zu Köln entwickelt worden sind. Beteiligt an dem Experiment waren die Kölner Kernphysiker Dr. Andrey Blazhev und Dipl. Phys. Norbert Braun vom Institut für Kernphysik. Geleitet wurde das Experiment vom Lehrstuhl E12 für Experimentalphysik der Technischen Universität München.

Das Zinn-100-Isotop liegt durch seine "doppeltmagische" Struktur und der gleichen Anzahl Protonen wie Neutronen in einem Extrem der physikalischen Möglichkeiten und ist deswegen von großem Interesse für die Wissenschaftler. Analog zu Atomelektronschalen gibt es eine Schalenstruktur der Atomkerne. Diese Schalenstruktur der Atomkerne zeigt sich durch die sogenannten "magischen Zahlen", d.h. eine bestimmte Anzahl von Protonen oder Neutronen im Kern: 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126. Doppeltmagisch sind Kerne bei denen beide Kernteilchenarten jeweils eine magische Zahl haben. Die Forscher untersuchten in der vorliegenden Arbeit eine Form des radioaktiven Zerfalls, den sogenannten Beta+-Zerfall. In einem Beta+-Zerfall wird in einem Kern, ein Proton in ein Neutron umgewandelt. Dabei wird ein Positron-Neutrino Paar aus dem Kern emittiert. Wenn die Spins von Positron und Neutrino parallel sind, nennt man dies einen Gamow-Teller Zerfall.

Die Stärke des Gamow-Teller Zerfalls hängt von der Kernstruktur der Isotope ab. In der vorliegenden Arbeit wurde der Gamow-Teller Zerfall des instabilen Zinn-Isotops 100Sn untersucht. "Dieser Gamow-Teller Zerfall hat die größte Stärke von allen bisher untersuchten Kernen", erklärt Dr. Andrey Blazhev vom IKP. "Das wurde auch theoretisch vorhergesagt, konnte aber erst jetzt experimentell nachgewiesen werden." Analog zu den superallowed (supererlaubten)-Fermi Zerfällen, wird jetzt zum ersten Mal auch der Begriff superallowed Gamow-Teller Zerfall für diesen Fall benutzt. Die große Zerfallsstärke wird sehr gut durch die im Artikel mitveröffentlichten modernen theoretischen Kern-Schalen-Model Rechnungen wiedergegeben.

Die Kölner Beteiligung am Experiment entspringt einer langen Zusammenarbeit der beteiligten Wissenschaftler. Im Rahmen der RISING (2003-2009) und PreSPEC (2010-) Kollaborationen für Experimente an der GSI, Darmstadt, hat das IKP, Universität zu Köln, seit 2003 bis heute auch an vielen anderen interessanten und erfolgreichen Experimenten teilgenommen und solche auch selber geleitet.


Zusatzinformationen:

C. B. Hinke et al.:
Superallowed Gamow-Teller decay of the doubly magic nucleus 100Sn..
In: Nature; 486, 341-345, 21. Juni 2012, DOI 10.1038/nature11116

Quelle: GSI, Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

 


Aktualisiert am 21.06.2012.



© 1996 - 2021 Internetchemie ChemLin














Akzeptieren

Diese Website verwendet Cookies. Durch die Nutzung dieser Webseite erklären Sie sich damit einverstanden, dass Cookies gesetzt werden. Mehr erfahren