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Direkte Massenbestimmungen von Nobelium-Isotopen (Element 102)

Die Masse eines Atomkerns ist eine der fundamentalsten Größen zum Verständnis des Zusammenhalts der Atomkerne. Zum ersten Mal gelang nun im Rahmen der SHIPTRAP-Kollaboration am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt unter Beteiligung der LMU Kernphysikgruppe um Priv. Doz. Peter Thirolf (Lehrstuhl Prof. Habs) eine direkte Massenbestimmung von Atomen jenseits von Uran. Mittels einer Ionenfalle konnten drei Isotope des Elements Nobelium (Z=102) nun mit höchster Genauigkeit ‚gewogen’ werden.

München, 12.02.2010

Die Masse eines Atomkerns ist eine der fundamentalen Größen der Kernphysik. In ihr spiegelt sich die Bindungsenergie wieder, die nach der von Einstein formulierten Äquivalenz von Masse und Energie, E = mc2, frei wird, wenn alle Nukleonen im Kern vereint sind. Diese Größe ist für jeden einzelnen Kern aus Z Protonen und N Neutronen charakteristisch. Der systematische Vergleich von Kernmassen verschiedener Nuklide erlaubt direkte Antworten auf die Frage nach ihrer Stabilität und liefert zugleich auch die Massendifferenzen, oder Energien, die für den radioaktiven Zerfall oder die Prozesse der Elemententstehung verantwortlich sind. Bislang war Uran mit 92 Protonen das schwerste chemische Element, dessen Masse direkt bestimmt werden konnte. Bei den künstlich hergestellten Elementen mit größeren Massen musste man sich mit einer rechnerischen Ermittlung der Massen über die Energien der jeweiligen radioaktiven Zerfallsreihen behelfen.

Generell lassen sich die höchsten Präzisionen bei physikalischen Messgrößen erzielen, die über eine Frequenzbestimmung zugänglich sind. Zur direkten Massenbestimmung von Atomkernen geschieht dies durch die Messung der Zyklotronfrequenz von gespeicherten Ionen in einer Penningfalle. Sollen kurzlebige Nuklide untersucht werden, müssen diese dediziert an Beschleunigeranlagen, z.B. über Fusionsreaktionen erzeugt, separiert und extrahiert werden, um sie unmittelbar für die Präzisionsmessung zur Verfügung zu stellen.

Dies ist nun erstmals für drei Nobelium-Isotope (Z = 102) am SHIPTRAP Experiment am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt unter der Mitwirkung der LMU-Kernphysikgruppe um Priv. Doz. Peter Thirolf (Lehrstuhl Prof. D. Habs) gelungen. Die radioaktiven Nobelium-Kerne wurden durch den Beschuss von Bleitargets mit einem 48-Kalzium Strahl erzeugt und im Geschwindigkeitsfilter SHIP vom Primärstrahl getrennt. Mit einer Rate von lediglich etwa einem Ion pro Sekunde (im Fall von 252 No) passierten die Ionen das Eintrittsfenster der puffergasgefüllten Stoppzelle – einer LMU-Entwicklung speziell für den Einsatz an SHIPTRAP am MLL Beschleuniger Labor angefertigt wurde. Dort wurden die Nobelium-Ionen in ultrareinem Heliumgas abgebremst und mittels elektrischer Felder innerhalb weniger Millisekunden extrahiert, um sie im Phasenraum zu kühlen und gepulst in das Doppel-Penningfallensystem von SHIPTRAP einzuschießen. Über den direkten Vergleich ihrer Zyklotronfrequenz zur Frequenz von präzise bekannten Referenzionen liessen sich ihre Kernmassen mit relativen Unsicherheiten von dm/m = 5 * 10-8 bestimmen. Die neuen Daten dienen als Prüfstein für verschiedene Theorien zum Aufbau superschwerer Elemente.

Publikation:
Direct mass measurements above uranium bridge the gap to the island of stability
M. Block, D. Ackermann, K. Blaum, C. Droese, M. Dworschak, S. Eliseev, T. Fleckenstein, E. Haettner, F. Herfurth, F. P. Heßberger, S. Hofmann, J. Ketelaer, J. Ketter, H.-J. Kluge, G. Marx, M. Mazzocco, Yu.N. Novikov, W.R. Plaß, A. Popeko, S. Rahaman, D. Rodriguez, C. Scheidenberger, L. Schweikhard, P.G. Thirolf, G.K. Vorobyev and C. Weber
Nature 463, 785 - 788 (11 February 2010)
doi:10.1038/nature08774

Weitere Links zum Thema:
Nature News and Views: Georg Bollen, Nuclear physics: Weighing up the superheavies
Nature 463, 740-741 (11 February 2010)
doi:10.1038/463740a
Nature News: http://www.nature.com
GSI Pressemitteilung: http://www.gsi.de

Ansprechpartner:
PD Dr. Peter Thirolf
Fakultät für Physik
Ludwig-Maximilians Universität
Tel: +49 - 89 - 289 – 14064
Fax: +49 - 89 – 289 – 14072
Email: Peter.Thirolf@physik.uni-muenchen.de

Dr. Michael Block
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt
Tel.: + 49 - 6159 - 71 2845
E-Mail: m.block@gsi.de