Kernphysik: Doppelter Ausschuss
Es gibt mehr Dinge zwischen Kern und Schale, als unser Schulunterricht in Atomphysik uns träumen lässt. Mitunter sind sogar Überraschungen für Experten darunter. Zum Beispiel, wenn ein angeregtes Silberisotop Protonen ausspuckt.
© Cary Bass / public domain (Ausschnitt)
Es ist genau 110 Jahre her, dass der französische Physiker Antoine Henri Becquerel bei seinen Studien an fluoreszierenden Uranen das Phänomen der Radioaktivität entdeckte. Seitdem haben der Zerfall von Atomen und deren forcierte Spaltung eine rasante Karriere hinter sich: Praktisch jeder erwachsene Bewohner einer Industrienation hat eine ungefähre Vorstellung, was sich hinter dem Wort Radioaktivität verbirgt – und sei es nur die Assoziation zu Atombomben, Kernkraftwerken und Strahlung. Eine derartige Popularität genießt sonst kaum eine Erkenntnis aus dem jüngeren Fundus der Wissenschaften.
Die zerstörerischen Kräfte und die schleichenden Gefahren der atomaren Zerfallsprozesse haben die Thematik nicht nur in die Schulbücher und Medien gebracht, sondern auch umfangreiche Forschungsarbeiten zur militärischen wie zivilen Nutzung sowie dem Schutz vor deren unvermeidlichen Nebenwirkungen angetrieben. Natürlich war außerdem die wissenschaftliche Neugierde entfacht, die Regeln für die Prozesse im Kleinsten aufzuschlüsseln. Das Verhalten aktiver Atome bietet einen unvergleichlichen Blick auf die Kräfte, die die Welt buchstäblich im Innersten zusammenhalten.
Eigentlich, so könnte man denken, sollten in hundert Jahren folglich alle möglichen Zerfallswege zumindest grundsätzlich bekannt sein. Doch ein Blick auf die Forschungsberichte der letzten Jahre zeigt, dass selbst heute noch unbekannte Verwandte des alpha- und beta-Zerfalls entdeckt werden. Erst 1982 beobachtete man beispielsweise, dass Atome mit einem Überschuss von Protonen im Kern eines davon abstoßen können. Und die frühesten Berichte von einem doppelten Protonen-Ausstoß stammen gar erst aus diesem Jahrhundert.
Während die Einzel-Protonen-Radioaktivität mittlerweile für rund dreißig Kernvarianten mit Protonenzahlen zwischen 50 und 84 bekannt ist, wurde die Doppel-Version bislang nur bei drei Isotopen nachgewiesen: Eisen-45, Nickel-48 und Zink-54. Ihnen ist gemeinsam, dass sie im Kern eine gerade Anzahl von Protonen tragen, wohingegen die Einzel-Radioaktivität typischerweise von Kernen mit ungeraden Anzahlen ausgeht. Diese bequeme Regel werfen nun Kernphysiker um Ernst Roeckl von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt mit ihren Experimenten über den Haufen. Ihr Untersuchungsobjekt – das Silber-Isotop 94 – kann beides: ein oder zwei Protonen aus dem Kern schießen.
Die Versuche gehen von einem Silber-94-Kern aus, der sich nicht wie üblich im Grundzustand befindet, sondern in einem langlebigen angeregten Spin-Zustand, den man durch Beschuss von Nickel-58 mit Kalzium-40 erhält. Nach der Theorie, mit welcher die Wissenschaftler ihre Beobachtungen erklären, hat der Kern anstelle einer Kugelform ein langgestrecktes Aussehen, das an eine Zigarre erinnert. Schuld daran ist die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen, die von der anziehenden, aber nur über kurze Entfernungen wirkenden starken Kernkraft in Ermangelung neutraler Neutronen kaum noch kompensiert werden kann. Als Folge davon verlassen ein oder zwei Protonen den Kern mit Hilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts, der mit einer geringen, aber vorhandenen Wahrscheinlichkeit den Sprung durch die Barriere der Kräfte erlaubt. Mal entkommt so ein einzelnes Proton, und der zurückbleibende Kern entspannt sich durch Aussendung eines Photons, mal entweichen zwei Protonen gleichzeitig, die ihre Flucht vom gleichen oder entgegengesetzten Ende der Kernzigarre aus antreten.
Das Modell steht allerdings noch auf wackligen Beinen, denn bislang liegen nur wenige Messreihen vor, und die stammen alle von einer einzigen Isotopensorte. Es sind also noch viele weitere Experimente nötig, um wirklich zu verstehen, weshalb der Kern sich so merkwürdig verhält. Doch viele Experimente sind ja eine Spezialität auf dem Gebiet der Atomforschung. Und wer weiß, welche absonderlichen Dinge den Kernen bei solchen Gelegenheiten noch einfallen?
Die zerstörerischen Kräfte und die schleichenden Gefahren der atomaren Zerfallsprozesse haben die Thematik nicht nur in die Schulbücher und Medien gebracht, sondern auch umfangreiche Forschungsarbeiten zur militärischen wie zivilen Nutzung sowie dem Schutz vor deren unvermeidlichen Nebenwirkungen angetrieben. Natürlich war außerdem die wissenschaftliche Neugierde entfacht, die Regeln für die Prozesse im Kleinsten aufzuschlüsseln. Das Verhalten aktiver Atome bietet einen unvergleichlichen Blick auf die Kräfte, die die Welt buchstäblich im Innersten zusammenhalten.
Eigentlich, so könnte man denken, sollten in hundert Jahren folglich alle möglichen Zerfallswege zumindest grundsätzlich bekannt sein. Doch ein Blick auf die Forschungsberichte der letzten Jahre zeigt, dass selbst heute noch unbekannte Verwandte des alpha- und beta-Zerfalls entdeckt werden. Erst 1982 beobachtete man beispielsweise, dass Atome mit einem Überschuss von Protonen im Kern eines davon abstoßen können. Und die frühesten Berichte von einem doppelten Protonen-Ausstoß stammen gar erst aus diesem Jahrhundert.
Während die Einzel-Protonen-Radioaktivität mittlerweile für rund dreißig Kernvarianten mit Protonenzahlen zwischen 50 und 84 bekannt ist, wurde die Doppel-Version bislang nur bei drei Isotopen nachgewiesen: Eisen-45, Nickel-48 und Zink-54. Ihnen ist gemeinsam, dass sie im Kern eine gerade Anzahl von Protonen tragen, wohingegen die Einzel-Radioaktivität typischerweise von Kernen mit ungeraden Anzahlen ausgeht. Diese bequeme Regel werfen nun Kernphysiker um Ernst Roeckl von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt mit ihren Experimenten über den Haufen. Ihr Untersuchungsobjekt – das Silber-Isotop 94 – kann beides: ein oder zwei Protonen aus dem Kern schießen.
Die Versuche gehen von einem Silber-94-Kern aus, der sich nicht wie üblich im Grundzustand befindet, sondern in einem langlebigen angeregten Spin-Zustand, den man durch Beschuss von Nickel-58 mit Kalzium-40 erhält. Nach der Theorie, mit welcher die Wissenschaftler ihre Beobachtungen erklären, hat der Kern anstelle einer Kugelform ein langgestrecktes Aussehen, das an eine Zigarre erinnert. Schuld daran ist die abstoßende Coulomb-Kraft zwischen den positiv geladenen Protonen, die von der anziehenden, aber nur über kurze Entfernungen wirkenden starken Kernkraft in Ermangelung neutraler Neutronen kaum noch kompensiert werden kann. Als Folge davon verlassen ein oder zwei Protonen den Kern mit Hilfe des quantenmechanischen Tunneleffekts, der mit einer geringen, aber vorhandenen Wahrscheinlichkeit den Sprung durch die Barriere der Kräfte erlaubt. Mal entkommt so ein einzelnes Proton, und der zurückbleibende Kern entspannt sich durch Aussendung eines Photons, mal entweichen zwei Protonen gleichzeitig, die ihre Flucht vom gleichen oder entgegengesetzten Ende der Kernzigarre aus antreten.
Das Modell steht allerdings noch auf wackligen Beinen, denn bislang liegen nur wenige Messreihen vor, und die stammen alle von einer einzigen Isotopensorte. Es sind also noch viele weitere Experimente nötig, um wirklich zu verstehen, weshalb der Kern sich so merkwürdig verhält. Doch viele Experimente sind ja eine Spezialität auf dem Gebiet der Atomforschung. Und wer weiß, welche absonderlichen Dinge den Kernen bei solchen Gelegenheiten noch einfallen?
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