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Kernphysik: Forscher entdecken neue magische Zahl

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Detektor der Radioactive Isotope Beam Factory (Japan): "Neue magische Zahl" Zur Großansicht
Satoshi Takeuchi

Detektor der Radioactive Isotope Beam Factory (Japan): "Neue magische Zahl"

Atomkerne mit 2, 8, 20, 28, 50 oder 82 Protonen oder Neutronen sind besonders stabil. Wissenschaftler haben nun bei Experimenten in Japan eine weitere magische Zahl der Kernphysik entdeckt - es ist die 34.

Manchmal zeigt die Natur ein so verblüffendes Verhalten, dass selbst rationale Forscher dies mit irrationalem Vokabular beschreiben. In der Kernphysik sind das die sogenannten magischen Zahlen. Atomkerne mit einer bestimmten Anzahl von Protonen haben sich als besonders stabil erwiesen: 2 (Helium), 8 (Sauerstoff), 20 (Kalzium), 28 (Nickel), 50 (Zinn) und 82 (Blei).

Weil diese Kerne so stabil sind, kommen die Elemente auch besonders häufig in der Natur vor. So besteht fast ein Viertel der sichtbaren Materie im Weltall aus Helium. Die magischen Zahlen gibt es analog auch bei Neutronen: Kerne bestehend aus 2, 8, 20, 28, 50 oder 82 Neutronen weisen ebenfalls eine überdurchschnittliche Stabilität aus. Das heißt: Sie zerfallen, wenn überhaupt, nur mit langen Halbwertzeiten.

Physiker haben nun bei Experimenten am Riken Nishina Center for Accelerator-Based Science in Wako (Japan) eine weitere magische Zahl entdeckt - die 34. Sie schossen Scandium-55 und Titan-56-Atomkerne mit 60 Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf eine 10 Millimeter dicke Platte aus dem Leichtmetall Beryllium. Dabei entstand Kalzium-54, dessen Kern aus 20 Protonen und 34 Neutronen besteht.

"Die Messdaten sind ein direkter experimenteller Beweis für eine neue magische Zahl in der Kernphysik", schreiben David Steppenbeck von der University of Tokyo und seine Kollegen im Fachblatt "Nature".

Die Experimente erlaubten neue Einblicke in die Struktur von Atomkernen, die wiederum helfen könnten, astrophysikalische Prozesse wie die Entstehung von Atomkernen in Sternen besser zu verstehen.

Basis ist das Schalenmodell

Die klassischen magischen Zahlen der Kernphysik 2, 8, 20, 28, 50 und 82 ergeben sich direkt aus der Quantentheorie. Die Zahlen lassen sich aus den Welleneigenschaften der Elementarteilchen, ihrem Spin und dem Bahndrehimpuls herleiten. Ergebnis ist das sogenannte Schalenmodell, das sowohl für die Elektronenhülle als auch für den Kern existiert. Es postuliert, dass Protonen oder Elektronen mit steigender Zahl bestimmte Schalen besetzen, beginnend bei der untersten. Wenn eine Schale komplett besetzt ist, macht dies den betreffenden Kern besonders stabil.

Das Schalenmodell für Atomkerne ist bereits über 60 Jahre alt. Eine offene Frage dabei sei jedoch gewesen, ob die sich daraus ergebenden magischen Zahlen auch für sogenannte exotische Kerne gelten würden, schreiben die Forscher. In solchen exotischen Kernen sind Neutronen gegenüber Protonen deutlich in der Überzahl.

"In einem Kern mit ähnlich großer Anzahl von Neutronen und Protonen bilden die Nukleonen eine Kugel", sagt Sigurd Hofmann vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Wenn Neutronen deutlich in der Überzahl seien, verforme sich der Kern zur Form eines Footballs.

Dass die Zahl 28 beispielsweise nicht immer magisch ist, zeigt das Isotop Silizium-42. Es besteht aus 28 Neutronen und 14 Protonen und ist nicht stabil. Grund dafür ist der große Neutronenüberschuss, der offenbar das an sich robuste Gefüge durcheinanderbringt.

Bei der nun entdeckten Stabilität im Atomkern Kalzium-54 (20 Protonen plus 34 Neutronen) könne es sich um eine abgeschlossene Unterschale handeln, erklärt Steppenbeck. Bei 34 handele es sich um eine neue magische Neutronenzahl für Isotope, die üblicherweise weit entfernt von der Stabilität seien.

Die stabilsten Atomkerne sind übrigens jene mit doppelt magischen Nukleonenzahlen. Das heißt, sowohl die Protonen- als auch die Neutronenzahlen sind magisch. Bestes Beispiel dafür sind die Isotope Helium-4, Sauerstoff-16, Kalzium-40 und Blei-208. Sie sind nicht radioaktiv, weil die Kerne nicht zerfallen.

Auch das nun untersuchte Isotop Kalzium-54 darf als doppelt magisch gelten. Denn sowohl die 20 Protonen als auch die 34 Neutronen bilden magische Zahlen.

hda

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insgesamt 2 Beiträge
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1. Nur um Missverständnissen verzubeugen...
yor 10.10.2013
...das mit der Stabilität ist - wie so manches andere - relativ: Die Halbwertzeit von Ca-54 beträgt 300 Nanosekunden.
2. Was genau wurde untersucht???
IskenderII 11.10.2013
Hat man Ca-54 neu vermessen und dabei festgestellt, dass es stabil ist bzw. stabiler ist als bisher angenommen? Nach meinem Wissen ist Ca-54 deutlich instabiler als Ca-53 oder Ca-55. Welchen Beweis gibt es denn dann wirklich für diese "neue magische Zahl".
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