Kernphysik: Atomkerne fassen mehr Neutronen als vorhergesagt
© T. Baumann (Ausschnitt)
Die Kerne von schweren chemischen Elementen können mehr Neutronen aufnehmen als bislang vermutet wurde, beweisen Thomas Baumann von der Staatsuniversität Michigan und Kollegen. Den Forschern gelang es im Teilchenbeschleuniger extrem massereiche Isotope von Magnesium und Aluminium mit 28 beziehungsweise 29 Neutronen herzustellen. Die häufigsten natürlichen Isotope beider Elemente enthalten 16 beziehungsweise 15 der neutralen Kernteilchen weniger.
Das Ergebnis stellt eine theoretische Größenbarriere für Atomkerne in Frage, die neutron drip line der Teilchenphysik. Sie bestimmt die größtmögliche Anzahl von Neutronen, die mit einer gegebenen Menge von Protonen stabile Kerne bilden. Oberhalb dieser Grenze kann ein Element also keine weiteren Neutronen integrieren; das schwerste denkbare Sauerstoff-Isotop enthält demnach zum Beispiel neben seinen acht Protonen höchstens 16 Neutronen. Bei Elementen mit höherer Ordnungszahl war die Grenze allerdings bislang nur vage bestimmt. Die Experimente von Baumanns Team deuten nun darauf hin, dass die neutron drip line bei schwereren Elementen großzügiger ausgelegt werden muss [1].
In ihren Experimenten hatten die Wissenschaftler die schwersten bekannten Kalzium-Isotope auf Wolfram geschossen. Dabei transferierte das Wolframziel Neutronen auf das schwere Kalzium, welches dann zum geringen Teil auch in die Isotpe 40Mg oder 42Al zerfiel.
Besonders das neu entdeckte schwere Aluminium mit 13 Protonen und 29 Neutronen hätte es allerdings nach bisherigen Vorhersagen gar nicht geben dürfen. Nicht nur liegt die Neutronenzahl über der theoretischen neutron drip line für Aluminium, sondern zudem enthält 42Al auch ungerade Zahlen von Neutronen und Protonen. Dadurch können sich die Teilchen nicht ideal paarweise anordnen. Dies würde Kerne insgesamt deutlich stabiler machen; ein analoger Effekt ist etwa von Supraleitern bekannt, bei denen sich Elektronen zu so genannten Cooper-Paaren arrangieren. Dass das unpaare Isotop 42Al nachweisbar ist, bedeute eventuell, dass die Stabilität von Kernen ab einer bestimmten Gesamtmasse durch zusätzliche Neutronen nicht mehr so stark beeinträchtigt wird, kommentiert Paul-Henri Heenen von der Freien Universität von Brüssel [2].
Generell entsteht die Stabilität von Atomkernen primär durch die Kraft der starken Wechselwirkung, welche nahe beieinander liegende Kernteilchen zusammenhält. Dabei ziehen Protonen Neutronen stärker an als die jeweiligen Kernteilchen ihresgleichen, weswegen leichtere Atomkerne mit gleichen Verhältnissen beider Teilchen am stabilsten sind. Bei Kernen mit mehr als 20 Protonen beginnen aber Abstoßungskräfte der positiv geladenen Teilchen wirksam zu werden, weswegen bei Isotopen ab dieser Größe mehr Neutronen wieder eher stabilisierend wirken. (jo)
Das Ergebnis stellt eine theoretische Größenbarriere für Atomkerne in Frage, die neutron drip line der Teilchenphysik. Sie bestimmt die größtmögliche Anzahl von Neutronen, die mit einer gegebenen Menge von Protonen stabile Kerne bilden. Oberhalb dieser Grenze kann ein Element also keine weiteren Neutronen integrieren; das schwerste denkbare Sauerstoff-Isotop enthält demnach zum Beispiel neben seinen acht Protonen höchstens 16 Neutronen. Bei Elementen mit höherer Ordnungszahl war die Grenze allerdings bislang nur vage bestimmt. Die Experimente von Baumanns Team deuten nun darauf hin, dass die neutron drip line bei schwereren Elementen großzügiger ausgelegt werden muss [1].
In ihren Experimenten hatten die Wissenschaftler die schwersten bekannten Kalzium-Isotope auf Wolfram geschossen. Dabei transferierte das Wolframziel Neutronen auf das schwere Kalzium, welches dann zum geringen Teil auch in die Isotpe 40Mg oder 42Al zerfiel.
Besonders das neu entdeckte schwere Aluminium mit 13 Protonen und 29 Neutronen hätte es allerdings nach bisherigen Vorhersagen gar nicht geben dürfen. Nicht nur liegt die Neutronenzahl über der theoretischen neutron drip line für Aluminium, sondern zudem enthält 42Al auch ungerade Zahlen von Neutronen und Protonen. Dadurch können sich die Teilchen nicht ideal paarweise anordnen. Dies würde Kerne insgesamt deutlich stabiler machen; ein analoger Effekt ist etwa von Supraleitern bekannt, bei denen sich Elektronen zu so genannten Cooper-Paaren arrangieren. Dass das unpaare Isotop 42Al nachweisbar ist, bedeute eventuell, dass die Stabilität von Kernen ab einer bestimmten Gesamtmasse durch zusätzliche Neutronen nicht mehr so stark beeinträchtigt wird, kommentiert Paul-Henri Heenen von der Freien Universität von Brüssel [2].
Generell entsteht die Stabilität von Atomkernen primär durch die Kraft der starken Wechselwirkung, welche nahe beieinander liegende Kernteilchen zusammenhält. Dabei ziehen Protonen Neutronen stärker an als die jeweiligen Kernteilchen ihresgleichen, weswegen leichtere Atomkerne mit gleichen Verhältnissen beider Teilchen am stabilsten sind. Bei Kernen mit mehr als 20 Protonen beginnen aber Abstoßungskräfte der positiv geladenen Teilchen wirksam zu werden, weswegen bei Isotopen ab dieser Größe mehr Neutronen wieder eher stabilisierend wirken. (jo)
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