Auf dem Weg zu den schweren Elementen

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Magische Protonen

Ähnlich wie die Elektronen in der Atomhülle befinden sich auch die Protonen und Neutronen, aus denen der Atomkern besteht, auf bestimmten energetischen Schalen. Immer dann, wenn eine solche Schale gerade vollständig aufgefüllt ist, ist der Atomkern besonders stabil. In diesem Zusammenhang spricht man von magischen Protonen bzw. Neutronenzahlen. Eine solche magischen Neutronenzahl ist auch N=82. Da Cadmiumkerne per Definition Z=48 Protonen haben, findet man für dieses Element also bei der Massenzahl A=Z+N=130 eine besondere Konfiguration der Neutronen. Aufgrund der erhöhten Stabilität der Kerne mit magischen Zahlen werden gerade sie in den explosionsartigen Sternphasen besonders oft gebildet, sodass ihr Vorkommen trotz der ständigen Umwandlungsprozesse erhöht ist. Man nennt sie aufgrund ihres erhöhten Vorkommens auch Wartepunkt-Kerne. Später, das heißt nach dem Abklingen der Sternexplosion, wandeln sich die Wartepunkt-Kerne über Betazerfälle in den oben genannten Bereich des periodischen Systems der Elemente um – mit dem gehäuften Auftreten bei Massenzahlen um A=130.

Bisher kannte man lediglich die Kernmasse von 130Cd, wobei diese jedoch auch nur indirekt aus Kernreaktionswerten abgeleitet war. Die Massen der Nachbarisotope 129Cd und 131Cd waren noch gar nicht gemessen. Der ISOLTRAP-Kollaboration gelang dies nun mit Hilfe des an der Universität Greifswald gebauten Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometers. Für die Isotope 129Cd und 130Cd, die nicht nur länger leben, sondern auch mit Raten von über tausend Teilchen pro Sekunde hergestellt werden konnten, wurde das Flugzeitmassenspektrometer zur Selektion der Cadmiumisotope aus dem Gemisch der häufiger erzeugten Isobaren eingesetzt. Darunter versteht man Atomkerne mit fast gleicher Masse. Sie haben die gleiche Gesamtnukleonenzahl A=Z+N, unterscheiden sich aber im jeweiligen Anteil der Z Protonen und N Neutronen.

Das Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer von ISOLTRAP konnte die gewünschten129Cd und 130Cd-Kerne aus dem Isobarengemisch herausfischen und damit für die Massenspektrometrie in einer Penningionenfalle vorbereiten. Beim Isotop 131Cd war die Produktionsrate allerdings etwa eine Größenordnung kleiner und reichte daher in der gegebenen Experimentierzeit für die Penningfallen-Untersuchung nicht aus. Hier kam das Multireflexions-Flugzeitmassenspektrometer selbst bei der Massenbestimmung zum Zuge. Es ist zwar mit „nur“ etwas besser als ein Millionstel an Unsicherheit nicht ganz so genau wie die Penningfalle, dafür kann die Messung aber schneller und mit weniger Teilchen durchgeführt werden.

Nur so konnte die magische Neutronenzahl dann auch überschritten werden. Dies ist insofern von großer Bedeutung, da erst damit der energetische Abstand zwischen der gefüllten und der darauf folgenden Neutronenschale bestimmt werden konnte, in der ja nun ein erstes Neutron eingelagert wurde. Mit anderen Worten, man kennt nun also die Energie, die notwendig ist, um das zusätzliche Neutron vom 131Cd zu entfernen und so wieder zu dem stabileren 130Cd zu gelangen. Wie erwartet zeigte sich, dass der energetische Schalenabstand beim Cadmium kleiner ausfällt als beim schon bekannten Zinn. Dieses Element hat nämlich zusätzlich auch eine magische Protonenzahl (Z=50), während beim Cadmium (Z=48) die Protonenschale noch nicht abgeschlossen ist. Der erhöhte Neutronenschalen-Energieabstand beim Zinn ist eine Folge davon, dass die N- bzw. Z-Schaleneffekte einander verstärken – wie von der ISOLTRAP-Kollaboration erst kürzlich auch beim Element Calcium bei einer kleineren magischen Neutronenzahl beobachtet.

Die beteiligten deutschen Arbeitsgruppen wurden vom BMBF im Rahmen der Förderung der ISOLTRAP-Kollaboration unterstützt (Fördernummern 05P12HGCI1, 05P12HGFNE, 05P15HGCIA, 05P09ODCIA, siehe auch Pressemitteilung „Über zwei Millionen Euro für Erforschung exotischer Atomkerne am CERN“) bzw. über die Max-Planck-Gesellschaft. (Jan Meßerschmidt Presse- und Informationsstelle)

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