Untersuchung rätselhafter Größen extrem leichter Calciumisotope

13.02.2019 - USA

Forscher der Michigan State University haben zum ersten Mal die Kerne von drei proteinreichen Kalziumisotopen gemessen.

Eine der grundlegendsten Eigenschaften des Kerns ist seine Größe. Der Kernradius nimmt im Allgemeinen mit der Anzahl der Protonen- und Neutronenbestandteile zu. Bei genauerer Betrachtung variieren die Radien jedoch auf einzigartige Weise und spiegeln das komplizierte Verhalten von Protonen und Neutronen im Kern wider.

Von besonderem Interesse ist die Variation der Ladungsradien von Kalziumisotopen. Sie zeigen ein eigenartiges Verhalten mit Calcium-48 mit fast dem gleichen Radius wie Calcium-40, einem lokalen Maximum bei Calcium-44, einem ausgeprägten ungeraden und gleichmäßigen Zickzackmuster und einem sehr großen Radius für Calcium-52. Obwohl das Muster teilweise erklärt wurde (graue Linie in der Abbildung), haben viele bestehende Theorien Schwierigkeiten, dieses Verhalten zu erklären. Unterhalb des leichtesten stabilen Calcium-40-Isotops ist der Ladungsradius nur für Calcium-39 bekannt, da es schwierig ist, protonenreiche Calciumkerne herzustellen.

Der Radius eines Kalziumkerns ist klein, etwa 3,5 Femtometer, und die lokale Variation ist noch 200 mal kleiner. Zudem sind die protonenreichen Kalziumisotope eher kurzlebig. Zum Beispiel existiert Calcium-36 nur für eine Zehntelsekunde. Die winzigen Ladungsradienänderungen von sehr kurzlebigen Isotopen können mit der Laserspektroskopietechnik gemessen werden, die am BEam COoler and LAser Spektroskopie, BECOLA, im National Supraleitenden Cyclotron Laboratory der Michigan State University entwickelt wurde.

Die Forschung unter der Leitung von Andrew Miller, NSCL-Assistent, maß erstmals (rote Quadrate in der Abbildung) die Ladungsradien von drei protonenreichen Kalziumisotopen (mit den Massenzahlen A=36, 37, 38). Diese wurden als viel kleiner als frühere theoretische Vorhersagen angesehen und stellen ein neues Rätsel dar. Ein verbessertes theoretisches Modell mit Fokus auf diese vorliegenden Daten bildet jedoch den allgemeinen Trend der Radien von Calcium-36 bis Calcium-52 (blaue Linie in der Abbildung) bemerkenswert ab. Dieser Erfolg ist auf ein besseres Verständnis der besonderen Wechselwirkungen von Protonen untereinander in großen Entfernungen außerhalb der Oberfläche eines protonenreichen Kalziumkerns zurückzuführen. Das verbesserte Verständnis der Ladungsradien wird die Weiterentwicklung eines globalen Modells des Atomkerns beeinflussen.

Das Laserspektroskopie-Experiment bei BECOLA und das verbesserte Kernmodell werden eine noch wichtigere Rolle bei der Bestimmung und Interpretation der Radien von Kernen in der derzeit im Bau befindlichen Facility for Rare Isotope Beams an der MSU spielen, die einen beispiellosen Zugang zu neuen seltenen Isotopen ermöglichen wird.

Originalveröffentlichung

A. J. Miller, K. Minamisono, A. Klose, D. Garand, C. Kujawa, J. D. Lantis, Y. Liu, B. Maaß, P. F. Mantica, W. Nazarewicz, W. Nörtershäuser, S. V. Pineda, P.-G. Reinhard, D. M. Rossi, F. Sommer, C. Sumithrarachchi, A. Teigelhöfer & J. Watkins; "Proton superfluidity and charge radii in proton-rich calcium isotopes"; Nature Physics; 2019

https://www.chemie.de/news/155943/untersuchung-raetselhafter-groessen-extrem-leichter-calciumisotope.html