Masse des Cadmiumisotops Cd-132 bestimmt

Mit Hilfe von Präzisionsmassenmessungen am europäischen Forschungszentrum CERN konnte eine internationale Forschungskollaboration nun erstmals die Masse von einem der instabilen Cadmium-Isotope bestimmen: ¹³²Cd. Daraus ermittelte das Forschungsteam, ob und wie sich die so genannten magischen Zahlen auf die inneren Strukturen der Cadmiumisotope auswirken. Die Ergebnisse sind in den Physical Review Letters (siehe unten) erschienen und bestätigen, dass sich die magischen Zahlen von Protonen und Neutronen verstärken.

Die magischen Zahlen der Kernphysik lauten: 8, 20, 28, 50, 82 und 126. Sie sind ein wichtiges Merkmal der inneren Struktur von Atomkernen. Denn Atomkerne mit magischen Protonen- oder Neutronenzahlen bilden quantenmechanische Schalenabschlüsse und haben eine hohe Bindungsenergie. Sie sind also sehr stabil wie beispielsweise das Zinnisotop Sn-132, das genau 50 Protonen und 82 Neutronen besitzt.

Bei der Bestimmung der Kernbindungsenergien von instabilen Isotopen wie dem Cadmiumisotop Cd-132 stehen Forschende zunächst einmal vor der Herausforderung, die Masse der Atomkerne zu messen, die innerhalb kürzester Zeit zerfallen. Die Atomkerne der beiden Cadmiumisotope Cd-131 und Cd-132 haben beispielsweise eine Halbwertszeit von unter 100 Millisekunden. Solche kurzlebigen Atomkerne werden in Fachkreisen exotisch genannt.

Die Masse des exotischen Cadmiumisotops Cd-132 konnte nun erstmals mit Hilfe eines Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometers bestimmt werden. Dieses Massenspektrometer ist eine Erweiterung der Universität Greifswald für ISOLTRAP. ISOLTRAP wiederum ist ein Präzisionsexperiment am europäischen Forschungszentrum CERN.

Zusätzlich zu den Massenmessungen mit dem Spektrometer wurden die kreisförmigen Bewegungen der entsprechenden ionisierten Atome mittels "Phasenuhren" in sogenannten Penningfallen bestimmt. Dadurch wird das Auflösungsvermögen der Massenmessungen erhöht.

Die gemessenen Kernmassen sind Grundlage für die Berechnung der Kernbindungsenergien, die wiederum ein Maß für die Kernstabilität sind. Das untersuchte Cadmiumisotop Cd-132 ist das bislang schwerste vermessene Isotop des Elements Cadmium. Es besitzt 48 Protonen und 84 Neutronen. Damit übertrifft es die magische Zahl 82 um genau zwei Neutronen.

Durch die Präzisionsmassenmessungen wurde der Neutronenschalenabschluss nun experimentell vollständig charakterisiert. Die Untersuchung zeigte, dass der jetzt vermessene Neutronenschalenabschluss beim Cadmium viel schwächer ausgeprägt ist als der beim doppelt-magischen Zinn-132. Ein Vergleich der beiden Isotope verdeutlicht also, dass sich die magischen Zahlen von Neutronen und Protonen verstärken.

Auf Basis der experimentellen Ergebnisse wurden außerdem Modellansätze für Kernstrukturrechnungen getestet. Sie bestätigen, dass die Berechnungen eines internationalen Teams aus der TU Darmstadt, der Universität Mainz und Forschenden aus Barcelona und Vancouver sehr gut widergeben, wie sich die Stabilität bei den Abschlüssen der Protonen- und Neutronen gegenseitig verstärkt.

Die Forschungsarbeiten wurden gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms "Physik der kleinsten Teilchen und von der Max-Planck-Gesellschaft.

V. Manea, J. Karthein, D. Atanasov, M. Bender, K. Blaum, T. E. Cocolios, S. Eliseev, A. Herlert, J. D. Holt, W. J. Huang, Yu. A. Litvinov, D. Lunney, J. Menéndez, M. Mougeot, D. Neidherr, L. Schweikhard, A. Schwenk, J. Simonis, A. Welker, F. Wienholtz und K. Zuber:
First Glimpse of the N=82 Shell Closure below Z=50 from Masses of Neutron-Rich Cadmium Isotopes and Isomers.
In: Physical Review Letters; Phys. Rev. Lett. 124, 092502, (2020), DOI 10.1103/PhysRevLett.124.092502

Quelle: Universität Greifswald

Aktualisiert am 17.03.2020.

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