Exotische Kerne - Schlüssel zu unserer Welt

Der Zustand der Materie auf unserer Erde ist nicht charakteristisch für den Rest der Welt. Im Inneren der Sterne und im Verlauf von Supernova-Explosionen herrschen unvorstellbar hohe Temperaturen und Drücke, bei denen Teilchen und Kerne gebildet werden, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen.

Supernova SN 1987A

Bildbeschreibung:
Die 1987 in der Nähe der Tarantula Nebula beobachtete Supernova SN 1987A war sogar mit dem bloßen Auge erkennbar. Supernovae sind charakterisiert durch eine hundertmillionenfache Helligkeitszunahme innerhalb weniger Tage. Alle Elemente jenseits des Eisens werden im Verlauf solcher Sternexplosionen geboren. Foto: European Southern Observatory ESO

Die Zahl dieser exotischen, in den "Kochtöpfen" des Universums "zusammengebrauten", instabilen Kerne, überwiegt bei weitem das vielfältige Spektrum der uns im täglichen Leben zugänglichen stabilen Isotope.

Die Produktion und Untersuchung solcher exotischen Kerne an modernen Beschleunigeranlagen ist in zweifacher Hinsicht von großem Interesse. Zum einen können wir unsere Modellvorstellungen über die Eigenschaften von Kernen nur verfeinern, wenn wir über den Tellerrand der uns auf der Erde zugänglichen Isotope hinausschauen und ein möglichst breites Spektrum der im Universum vorhandenen Kerne in unsere Untersuchungen mit einbeziehen. Andererseits wissen wir heute, daß die Elementsynthese in den Sternen über exotische Kerne erfolgt. Diese zerfallen vor allem durch die Aussendung von Beta-Strahlen, also von schnellen Elektronen, bis schließlich die stabilen Kerne zurückbleiben, die wir auf unserer Erde kennen. Die Bildung der chemischen Elemente und deren Häufigkeitsverteilung sind also wesentlich durch die Eigenschaften der exotischen Kerne bestimmt.

Als einziges Beschleunigerlabor der Welt verfügt die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt über die Möglichkeit, solche Kerne im gesamten Periodensystem zu erforschen - vom Wasserstoff, dem leichtesten Element, bis zum bislang schwersten künstlich hergestellten Element, dem mit der Ordnungszahl 111. In Darmstadt stehen Apparaturen bereit, mit denen sich in einem weiten Energiebereich Strahlen aller dieser Kerne herstellen lassen.

Die Nuklidkarte heute

Bildbeschreibung:
Die Nuklidkarte heute: Alle bekannten, knapp 2500 Atomkerne sind hier nach der Zahl ihrer Protonen (Z) und der Zahl ihrer Neutronen (N) geordnet. Nur die schwarz markierten Kerne, die in der Darstellung den Kamm des »Gebirgszugs« bilden, sind in der Natur stabil vorhanden. Alle anderen wurden durch Kernreaktionen erzeugt, davon etwa 150 erstmals bei der GSI in Darmstadt. Die Linien B_n = 0 und B_p = 0 markieren die Grenzen der Stabilität, soweit sie heute erwartet werden. Die senkrechten und waagerechten Doppellinien kennzeichnen die zu den magischen Kernen führenden Schalenabschlüsse. Die »Highlights« aus 1994 - die bei der GSI neu gefundenen Elemente 110 und 111 sowie der schwerste doppelt magische und zugleich in Neutronen- und Protonenzahl symmetrische Kern ¹⁰⁰Sn - sind hervorgehoben.

Dabei ist das Produktionsschema im Prinzip immer das gleiche: Der aus dem Linearbeschleuniger UNILAC oder dem Schwerionen-Synchrotron SIS kommende Beschleunigerstrahl wird auf eine Folie oder ein Materialstück, das (sogenannte) Target, geschossen. Dort entstehen durch Kernreaktionen exotische Kerne, welche sich mit Separatoren nach Kernladung und Masse trennen lassen und dann für die physikalischen Untersuchungen zur Verfügung stehen.

So gibt es am UNILAC für Kerne niedriger Energie zwei unterschiedlich arbeitende Separatoren. Im sogenannten On-Line-Massenseparator werden exotische Strahlen niedrigster Energie erzeugt, indem man die Reaktionsprodukte aus dem innerhalb einer Ionenquelle befindlichen Target herauslöst, sie dann in einem Hochspannungsfeld beschleunigt und in einem Magnetfeld isotopenrein separiert. Das Geschwindigkeitsfilter SHIP dagegen trennt die Reaktionsprodukte, wie im Zusammenhang mit der Elementsynthese beschrieben, durch elektrische und magnetische Felder im Fluge und ist darum imstande, extrem instabile - das heißt kurzlebige - Kerne zu separieren.

Zugang zur Stabilität exotischer Kerne

Mit der Verfügbarkeit von Ionenstrahlen bei relativistischen Energien, das heißt bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit, wie sie das SIS liefert, wird das Spektrum der experimentell zugänglichen Kerne erheblich erweitert. Der Fragmentseparator in Verbindung mit dem Experimentier-Speicherring erlaubt es, Sekundärstrahlen von diesen exotischen Kernen zu erzeugen. Damit lassen sich ganz neuartige Kernstruktur- und KernreaktionsExperimente durchführen.

Die erste wichtige Aussage über die Stabilität eines Atomkerns liefert die Lebensdauer oder Halbwertzeit. Kerne an den Grenzen der Stabilität werden zunehmend kurzlebiger, ihre Lebensdauer bleibt weit unterhalb von Sekunden. Mit den bei der GSI entwickelten, extrem sensitiven Methoden lassen sich die Halbwertzeiten schon aus dem Zerfall einzelner Atomkerne gewinnen. Bei der GSI wurden bisher nicht weniger als fünf neue Elemente und etwa 150 neue Isotope entdeckt. Die Details über deren Eigenschaften liefert die Zerfallspektroskopie, wobei der Beta-Zerfall als häufigste in der Natur vorkommende Zerfallsart am wichtigsten ist. Bei den exotischen Kernen sind die Beta-Halbwertszeiten von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis des stofflichen Aufbaus des Universums überhaupt.

Eine weitere Information zur Stabilität liefert die Masse der Kerne. Aus ihr läßt sich entnehmen, wie stark die Atomkerne in sich gebunden sind. Bei der GSI wurde eine neue Methode entwickelt und erstmals angewandt, die es erlaubt, die Massen von instabilen Atomkernen direkt zu bestimmen. Die im Fragmentseparator abgetrennten Kerne werden in den Speicherring ESR transferiert, hier gespeichert und durch Wechselwirkung mit einem Elektronenstrahl in der Weise gekühlt, daß im Ring alle Ionen mit genau gleicher Geschwindigkeit umlaufen. Das bedeutet aber: Soweit ihre Massen verschieden sind, kreisen sie im ESR auch auf etwas unterschiedlichen Bahnen und haben verschiedene Umlaufzeiten. So läßt sich aus ihrer Umlauffrequenz direkt die Masse bestimmen. Die Genauigkeit und Auflösung dieser Methode ist so gut, daß man sogar erkennen kann, ob sich ein Atomkern im Grundzustand befindet oder schwach angeregt ist. Die aufgenommene Anregungsenergie bewirkt nämlich eine Massenzunahme.

Messung von Massen mit Hilfe des Speicherrings ESR

Bildbeschreibung:
Messung von Massen mit Hilfe des Speicherrings ESR. Die beiden Strukturen im Ausschnitt des Frequenzspektrums entsprechen dem Grundzustand des Mangan-Kerns (rechts) und seinem isomer angeregten Zustand. Beide unterscheiden sich durch eine geringfügige (aber noch erkennbare) relative Massendifferenz von etwa 7 x 10^-6.

In der Landschaft der Nuklide haben sogenannte magische Kerne eine besondere Bedeutung. Analog zur Struktur der Elektronenhülle, welche uns mit ihren Schalenabschlüssen die stabilen Edelgase beschert, bilden auch die Protonen und die Neutronen im Atomkern abgeschlossene Schalen, die zu besonders stabilen Kernen führen, den magischen Kernen. So ist die richtige Vorhersage von Schalenabschlüssen ein wichtiger Prüfstein für Kernmodelle, insbesondere dann, wenn die Kerne weitab der Stabilität liegen.

Im Bereich der schwereren Elemente gibt es nur drei stabile, doppelt magische Kerne, das heißt Kerne mit einem Schalenabschluß sowohl für die Protonen als auch die Neutronen. Diese sind das Kalzium mit der Massenzahl 40 und 48 sowie das Blei mit der Massenzahl 208. Nimmt man die instabilen Kerne hinzu, so sind vier weitere doppelt magische Kerne zu erwarten, das Element Nickel mit den Massenzahlen 56 und 78 sowie das Zinn mit den Massenzahlen 100 und 132. Die Untersuchung dieser Kerne und ihrer Nachbarnuklide ist für die Überprüfung und Weiterentwicklung theoretischer Kernmodelle von großer Bedeutung.

Ein langgesuchter Kern war insbesondere das Zinn mit der Massenzahl 100, denn sein Kern zeichnet sich dadurch aus, daß er sowohl doppelt magisch ist, als auch die gleiche Anzahl von Protonen und Neutronen hat, also eine besonders hohe Symmetrie aufweist. Zinn-100 liegt aber weitab der Stabilität, und das macht seine Synthese experimentell sehr schwierig. Tatsächlich konnte dieses seltene Isotop bei der GSI in Darmstadt 1994 erstmals erzeugt und nachgewiesen werden.

Grenzen der Stabilität

Nachweis des doppelt magischen Zinn-Atomkerns 100Sn

Bildbeschreibung:
Nachweis des doppelt magischen Zinn-Atomkerns ¹⁰⁰Sn (Protonzahl und Neutronzahl je 50) im Sekundärstrahl am Fragmentseparator des SIS. Aufgetragen ist der zur Kernladungszahl proportionale Energieverlust über dem Verhältnis von Kernmasse zu Ladung. Die beobachteten Ereignisse sind mit einem Kreis markiert.

Eine grundlegende Frage zum Verständnis unserer Welt ist die nach den Grenzen, innerhalb denen Materie existieren kann, wenn auch nur mit kurzer Lebensdauer. Die Kernbausteine Proton und Neutron stehen in den stabilen Kernen unserer Umgebung in einem bestimmten Verhältnis zueinander. Das bedeutet: Erzeugt man beispielsweise Kerne mit einem Protonenüberschuß und überschreitet dabei einen gewissen Grenzwert, dann zerfallen diese spontan unter Aussendung von Protonen. Mit der Entdeckung des Protonenzerfalls aus dem Grundzustand des Elements Lutetium-151 bei der GSI im Jahre 1982 wurde diese auch als Protonen-Abbruchkante bezeichnete Grenzlinie erstmals experimentell erreicht und überschritten.

Bei leichten Kernen nahe der Neutronen-Abbruchkante - das heißt, mit extremem Neutronenüberschuß, so daß ein weiteres hinzugefügtes Neutron nicht mehr gebunden wird - konnte noch etwas anderes beobachtet werden: ein durch einen Halo »aufgeblasener« Kernradius. Dieses neuartige Phänomen tritt bei bestimmten neutronenreichen Kernen nahe der Neutronen-Abbruchkante, wie Beryllium und Lithium mit der Massenzahl 11 auf. In diesen Kernen bewegen sich die sehr schwach gebundenen Neutronen weit weg vom Kern und bilden um den Kern herum eine Art dünne "Neutronenatmosphäre". Eine sich daraus ergebende Frage war die, ob dieser Halo-Effekt auch bei Kernen an der Protonen-Abbruchkante auftritt. Tatsächlich konnte dies kürzlich für das protonenreiche Isotop Bor-8 erstmals bestätigt werden.

Fliegen zwei Atomkerne aneinander vorbei, ohne sich zu berühren, so wirken dennoch zwischen ihnen aufgrund ihrer positiven Kernladungen die abstoßenden Coulombkräfte. Durch diese elektromagnetische Wechselwirkung lassen sich Atomkerne in schnelle Rotation oder Schwingungen versetzen, die im Extremfall sogar zum Zerreißen des Kerns führen, zu einer Kernspaltung. Damit eine solche Coulombanregung - oder gar Coulombspaltung - gelingt, müssen sich die Atomkerne jedoch mit sehr hoher Geschwindigkeit begegnen, im Falle von Uran mit mindestens 10% der Lichtgeschwindigkeit, also mit 30000 km/s. Diese Geschwindigkeiten konnten schon mit dem UNILAC-Beschleuniger erreicht werden, und konsequenterweise ist die Anregung von Kernen durch das elektromagnetische Feld eines vorbeifliegenden anderen Kerns bei der GSI schon seit ihrer Anfangszeit ein wichtiges Gebiet der Kernspektroskopie.

Experimente mit Coulombanregung lassen auch Rückschlüsse auf die Gestalt der Kerne zu. So wurde bei der GSI eine Reihe von exotischen Kernformen beobachtet: zweiachsige und dreiachsige Ellipsoidgestalten sowie birnenförmige Oktupoldeformationen. Andere GSI-Untersuchungen zeigten erstmals, daß sich die Deformationen bei bestimmten Kernen dynamisch ändern, wenn man diese in Rotation versetzt. In einem rotierenden System wirken zusätzlich Zentrifugal- und Corioliskräfte, die die innere Struktur eines Kerns mitbestimmen können.

Riesenresonanzen und Kernstruktur

Mit dem Schwerionen-Synchrotron SIS lassen sich Atomkerne auf wesentlich höhere Geschwindigkeiten beschleunigen, auf 80 bis 90% der Lichtgeschwindigkeit. In Reaktionen bei diesen Geschwindigkeiten werden in den Kernen innere Schwingungen angeregt, die sogenannten Riesenresonanzen. Diese sind zwar seit langem bekannt, insbesondere die Dipolresonanz, bei der Protonen und Neutronen kollektiv gegeneinander schwingen. Doch solche Schwingungen können, ähnlich wie bei der Rotation, nur in diskreten Quanten auftreten, den (nicht mit den Photonen zu verwechselnden) Phononen.

Trotz intensiver Suche war bis vor wenigen Jahren nur das unterste, das energieärmste dieser Phononen bekannt. Es hat sich dann aber gezeigt, daß die Coulombanregung der höheren Phononen durch hochenergetische Schwerionen besonders effektiv ist. So wurde in Darmstadt die elektromagnetische Anregung des zweiten Phonons der Dipolresonanz, die Doppel-Dipol-Riesenresonanz, mit verschiedenen Methoden nachgewiesen.

Einbau von Szintillationszählern

Bildbeschreibung:
Einbau von Szintillationszählern für die Untersuchung von kollektiven Anregungen in Kernen.

Die Riesenresonanzen und ihre höheren Phononen liegen aber bei so hohen Anregungsenergien, daß die Kerne nicht mehr stabil sind und durch Aussendung von Nukleonen zerfallen. Deshalb spricht man auch von einer Coulombdissoziation von Kernen. Bei der GSI benutzt man solche Dissoziationsprozesse insbesondere zur Untersuchung der inneren Struktur von in der Natur nicht vorkommenden, radioaktiven Kernen, die als Ionenstrahlen erzeugt werden.

In leicht spaltbaren Kernen der Aktinidengegend zerfällt die Riesenresonanz nicht durch Emission von Nukleonen, sondern führt zu einer Kernspaltung. So ergeben sich mit Hilfe der hochenergetischen Schwerionenstrahlen vom SIS auch neue weiterführende Methoden zur Untersuchung der Kernspaltung - einem der frühesten Forschungsgebiete der Kernphysik. Wesentlich ist dabei, daß solche Experimente jetzt auch auf Strahlen von radioaktiven Isotopen erweitert werden können, die bisher nicht zugänglich waren. Mit solchen Sekundärstrahlen wurde kürzlich in Darmstadt für eine ganze Reihe von neuen Isotopen die Spaltung untersucht.

Aber nicht nur der Spaltprozeß selbst, sondern auch die dabei entstehenden Spaltprodukte sind von großem kernphysikalischen Interesse. So erlaubt die Coulombspaltung von Uranstrahlen am SIS die Erzeugung exotischer, extrem neutronenreicher Kerne. Mit Hilfe dieser und anderen Methoden soll in nächster Zeit zum ersten Mal der doppelt magische Kern Nickel-78 produziert werden. Ihm kommt eine wichtige Rolle bei der Elementsynthese in den Sternen zu.