Ähnlich wie Elektronen in Atomhüllen gruppieren sich auch die Kernbausteine, die Protonen und Neutronen, zu quantenmechanischen Schalen. Sind diese Schalen gefüllt, dann haben die Kerne hohe Bindungsenergien und sind besonders stabil. Daher werden die Schalenabschlusszahlen 8, 20, 28, 50, 82 und 126 auch „magisch“ genannt. Von ganz besonderem Interesse sind die doppelt magischen Kerne. In diesen Kernen erreichen sowohl die Protonenzahl Z als auch die Neutronenzahl N einen stabilen Schalenabschluss. Unter diesen doppeltmagischen Kernen sticht der Kern des Zinn-Isotops 100Sn hervor. Er ist der schwerste Kern, bei dem Z und N den gleichen Wert besitzen, nämlich 50. Wissenschaftler*innen konnten die Masse dieses Kernes bisher nicht direkt bestimmen. Die Gründe liegen in den Schwierigkeiten bei der Herstellung von 100Sn sowie in dessen kurzer Halbwertszeit von nur etwa einer Sekunde.
In unmittelbarer Nachbarschaft zum doppeltmagischen 100Sn liegen die Kerne des Elements Indium. Diese haben ein Proton weniger als die Zinnkerne. Am CERN konnten nun mit dem Präzisionsmassenspektrometer ISOLTRAP die Massen der Indium-Isotope 99In, 100In und 101In bestimmt werden. Dabei wurde die Masse von Indium-99 erstmalig gemessen, jene von Indium-100 und Indium-101 konnten nun wesentlich genauer als bisher bestimmt werden.
Die Messung am 99In wurde ermöglicht durch eine Greifswalder Komponente des Massenspektrometers ISOLTRAP. Die Komponente beruht auf der Messung der Multireflexions-Flugzeit (MR-ToF). Zusätzlich kommt sie auch als Massenseparator zum Einsatz, zur Vorbereitung von Messungen mit den noch höher auflösenden und präziseren Penningfallen. Diese Kombination von MR-ToF-Massenseparation und Penningfallen- Massenmessung wurde bei 100In und 101In eingesetzt.
Für die Bestimmung der Masse des doppeltmagischen Zinnkerns 100Sn ist die Massenmessung an 100In entscheidend. „Auf die Masse des Zinn-100-Kerns können wir nun von der gemessenen Masse des Indium-100-Kerns und der Energie, die im Betazerfall von 100Sn nach 100In frei wird, zurückschließen. Aufgrund der hohen Genauigkeit unserer Messung konnte nun ein Widerspruch zwischen 100Sn-Massenwerten aufgelöst werden, der sich aus den zwei neuesten Betazerfalls-Untersuchungen ergeben hatte“, erläutert Frank Wienholtz, ehemaliger Doktorand in Greifswald, der inzwischen an der TU Darmstadt arbeitet. „Die Vergleiche mit theoretischen Werten der Arbeitsgruppe von Prof. Schwenk in Darmstadt und die systematische Betrachtung der Bindungsenergien der benachbarten Kerne ergaben eindeutige Rückschlüsse auf den Zinnkern 100Sn“, ergänzt Prof. Dr. Lutz Schweikhard vom Institut für Physik der Universität Greifswald.
Die Forschungsarbeiten wurden gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und von der Max-Planck-Gesellschaft.
Weitere Informationen
M Mougeot et al. (2021): Mass measurements of 99-101In challenge ab initio nuclear theory of the nuclide 100Sn, Nature Physics. DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01326-9
Beteiligte deutsche Forschungseinrichtungen
Institut für Physik der Universität Greifswald
Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg
Institut für Kernphysik der Technischen Universität Darmstadt
Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt
Institut für Kern- und Teilchenphysik der Technischen Universität Dresden
Pressemitteilung des CERN
Grabbing magic tin by the tail (auf Englisch)
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Ansprechpartner an der Universität Greifswald
Prof. Dr. Lutz Schweikhard
Institut für Physik der Universität Greifswald
Felix-Hausdorff-Straße 6, 17489 Greifswald
Telefon +49 3834 86 4700
lschweikphysik.uni-greifswaldde
Sprecher der ISOLTRAP-Kollaboration
Prof. Dr. Klaus Blaum
Max-Planck-Institut für Kernphysik
Saupfercheckweg 1, 69117 Heidelberg
Telefon +49 6221 516850
klaus.blaummpi-hd.mpgde
Ansprechpartner zu den theoretischen Untersuchungen
Prof. Dr. Achim Schwenk
Institut für Kernphysik, Theoriezentrum
Technische Universität Darmstadt
Schlossgartenstraße 2, 64289 Darmstadt
Telefon +49 6151 16 21550
schwenkphysik.tu-darmstadtde