Der Scheinriese unter den Atomkernen

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Wie groß etwas ist, hängt immer davon ab, wer sich das Objekt anschaut, um seine Maße zu bestimmen. So sind Atomkerne ja eigentlich winzig klein. Doch für extrem langsame Neutronen wirkt es, als sei der Kern mindestens so groß wie das ganze Atom. Diese theoretische Vorhersage haben Physiker nun erstmals auch experimentell bestätigt.

Langsame Neutronen verbringen mehr Zeit in der Nähe eines Atomkerns, in dessen Richtung sie fliegen, als ihre schnellen Kollegen. Dementsprechend wahrscheinlicher ist auch, daß sie mit dem Kern meßbar wechselwirken. Oder anders betrachtet: Der effektive Radius eines Atomkerns ist für langsame Neutronen größer. Besonders Ziele aus dem Element Gadolineum rufen diesen Effekt aufgrund passender Differenzen der möglichen Energiezustände im Kern hervor.

Aus Sicht des langsamen Neutrons hat ein Gadolineumkern einen Wirkungsquerschnitt, der etwa so groß wie das ganze Atom ist – also das 10 000fache des eigentlichen Durchmessers. Theoretisch war das den Wissenschaftlern schon lange klar, aber erst in den Physical Review Letters vom 13. Dezember 1999 beschreiben Helmut Rauch vom Atominstitut der Österreichischen Universitäten in Wien und seine Kollegen, wie sie den experimentellen Nachweis dafür erbracht haben, "nur, um diese Kuriosität einmal zu zeigen" (Abstract).

Hätten die Forscher eine gewöhnliche Folie aus Gadolineum mit Neutronen beschossen, wären diese einfach absorbiert worden. Stattdessen lösten sie deshalb ein Gadolineumsalz in schwerem Wasser und plazierten eine Probenkammer mit einem Millimetern Kantenlänge in einen Strahl superkalter Neutronen. Für Teilchen, die mit zehn Metern pro Sekunde flogen, hatte der Kern von ¹⁵⁷Gd einen Wirkungsquerschnitt von rund 0,5 Quadrat-Angstrom – wenigstens 100mal mehr als bei allen früheren Messungen.

In Versuchen mit Neutronen, die langsamer als vier Meter pro Sekunde waren, entdeckten die Wissenschaftler eine Abweichung von der Regel, daß der effektive Durchmesser umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit sein sollte. Rauch und seine Kollegen sehen eine mögliche Erklärung darin, daß jedes Neutron in dem Experiment nur mit wenigen Kernen wechselwirkte und die zufälligen Schwankungen zu relativ ungenauen Werten geführt haben könnten. Doch vielleicht stimmt ja auch etwas nicht mit der Regel. Zumindest haben andere Physiker die Resultate mit großem Interesse zur Kenntnis genommen.

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