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Präzisionsmassenmessungen an exotischen Cadmiumisotopen geben Einblicke in die „Magie“ der Atomkerne

Flugzeit-Massenspektrum: Gemessen wird die Anzahl der Ionensignale als Funktion der Ionenflugzeit durch eine vorgegebene Strecke. Die massereicheren Ionen benötigen dabei länger als die leichteren Ionen. Hier erreichen die schwereren Ionen von Cadmium-132 den Detektor etwa dreieinhalb Mikrosekunden nach den Kalibrations-Ionen von Barium-132 und Cäsium-132, bei einer Gesamtflugzeit von über 22 Millisekunden.

Einer internationalen Forschungsgruppe unter Mitwirkung Greifswalder Wissenschaftler sind Präzisionsmassenmessungen an neutronenreichen Cadmiumisotopen am europäischen Forschungszentrum CERN gelungen. Die in den Physical Review Letters publizierten Ergebnisse bestätigen im Vergleich mit doppelt-magischen Kern Zinn-132, dass sich die „magischen Zahlen“ von Protonen und Neutronen verstärken.

Auch nach jahrzehntelanger Forschung werfen die Atomkerne weiter Fragen auf. Wichtiges Kennzeichen ihrer inneren Struktur sind die „magischen Zahlen“: Atomkerne mit Protonen- oder Neutronenzahlen von 8, 20, 28, 50, 82 oder 126 besitzen eine vergleichsweise hohe Bindungsenergie, d.h. eine hohe Stabilität. Für ihre Deutung als quantenmechanische Schalenabschlüsse wurden Maria Goeppert-Mayer und Hans Jensen 1963 mit dem Nobelpreis belohnt. Ob und wie sich die magischen Zahlen und die dahinter liegenden Strukturen aber bei exotischen, das heißt kurzlebigen, Atomkernen verändern, ist weiter Gegenstand intensiver aktueller Forschung.

Mit dem Präzisionsmassenspektrometer ISOLTRAP konnten nun erstmals die Massen der Cadmiumisotope Cd-131 und Cd-132 bestimmt werden, die 48 Protonen und 83 bzw. 84 Neutronen besitzen. Damit wurde die magische Neutronenzahl N=82 um zwei weitere Neutronen übertroffen – erstmals bei einem Element mit weniger als der magischen Protonenzahl Z=50 (Zinn). Über Einsteins E=mc2 und den Vergleich der Kernmassen in Isotopenketten sind auch die jeweiligen Kernbindungsenergien zugänglich, wie die „Zweineutronen-Bindungsenergien“ – ein quantitatives Maß für die Kernstabilität. Die Untersuchung zeigte, dass der jetzt vermessene Neutronenschalenabschluss beim Cadmium viel schwächer ausgeprägt ist als der beim doppelt-magischen Zinn-132. Der Vergleich der beiden Isotope verdeutlicht also, dass sich die magischen Zahlen von Neutronen und Protonen verstärken.

Die Messungen bei den beiden Isotopen Cd-131 und Cd-132, deren Halbwertszeiten beide unter 100 Millisekunden liegen, wurden ermöglicht durch das Multireflexions-Flugzeit-Massenspektrometer von ISOLTRAP, einer Komponente aus Greifswald, die inzwischen schon mehrmals wesentliche Beiträge geliefert hat. (https://idw-online.de/de/news539615, https://idw-online.de/de/news631423).

Die Arbeiten und Ergebnisse werden beschrieben in V. Manea et al., „First glimpse of the N = 82 shell closure below Z = 50 from new masses of cadmium isotopes and isomers“ Phys. Rev. Lett. 124, 092502 (2020)  https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.124.092502

Eine erweiterte Pressemitteilung der Universität Greifswald findet sich unter

https://www.uni-greifswald.de/universitaet/information/aktuelles/detail/n/neue-einblicke-in-die-magie-des-atomkerns-62160/

Ansprechpartner: Prof. Dr. Lutz Schweikhard 

https://physik.uni-greifswald.de/ag-schweikhard/group-members/schweikhard/


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