„Sieht aus wie ein Rugbyball“

Man stellt sich Atomkerne normalerweise kugelförmig vor. Doch sie können auch in abgeflachter, diskusähnlicher Form auftreten oder länglich sein wie ein Rugbyball. Welt der Physik sprach mit Volker Werner und Waldemar Witt von der Technischen Universität Darmstadt, die mit einem internationalen Forscherteam die Eigenschaften von Zirkonium-98 untersucht haben. Dieser Atomkern besteht aus 40 Protonen und 58 Neutronen und kann seine Form ändern – und zwar je nach Energiezustand, wie die Wissenschaftler nun in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten.

Welt der Physik: Von Atomhüllen weiß man ja schon lange, dass sie sich verformen lassen – beispielsweise durch starke äußere Felder. Warum ist das bei Atomkernen schwieriger?

Waldemar Witt: In Atomkernen herrschen sehr viel größere Kräfte als in der Atomhülle. In der Hülle sind Elektronen über die elektrische Anziehung an den Kern gebunden. Im Kern selbst aber halten Neutronen und Protonen über die sogenannte starke Wechselwirkung zusammen, die eine millionenfach höhere Kraft ausübt. Diese hohen Kräfte sollten Atomkerne in die dichtest mögliche Packung zusammenquetschen – eben als Kugel. Interessanterweise treten bei verschiedenen Atomkernen aber Effekte auf, die zu einer Abweichung von dieser Kugelform führen. Daran lassen sich wichtige kernphysikalische Fragestellungen erforschen, die auch in anderen Gebieten wie etwa der Astrophysik wichtig sind.

Waldemar Witt

Das von Ihnen untersuchte Zirkonium-98 ist radioaktiv, also nicht stabil. Wie haben Sie die Atomkerne erzeugt?

Volker Werner: Unsere Untersuchungen wären ohne die Möglichkeiten am Argonne National Laboratory so nicht durchführbar gewesen. Es gibt dort eine sehr intensive Quelle – ein radioaktives Californium-Isotop, das per Spontanspaltung in viele verschiedene Atomkerne zerfällt. Mit geeigneten Filtern lässt sich aus diesen Zerfallsprodukten auch unser gewünschtes Zirkonium-98 isolieren. Es hat eine Halbwertszeit von nur 30 Sekunden.

Dann mussten Sie sich also beeilen, um die Eigenschaften zu vermessen?

Volker Werner: Die Zeit ist absolut ausreichend für unsere Messungen. Wir haben die entstandenen Zirkonium-98-Kerne mit einem Teilchenbeschleuniger auf hohe Energien gebracht und auf eine hauchdünne Platinfolie geschossen. Die Energie war nun so gewählt, dass die Zirkonium- und die Platinatomkerne nur aneinander abprallen und sich nicht gegenseitig zertrümmern. Bei dieser Kollision erhalten die Zirkonium-98-Kerne zusätzlich Energie und können in einen höheren Energiezustand wechseln.

Was bedeutet das für die Form der Atomkerne – lässt sich das direkt beobachten?

Waldemar Witt: Wir können die Form der Atomkerne nicht direkt bestimmen. Dafür sind sie zu klein. Und der angeregte Zustand ist in diesem Fall auch sehr kurzlebig. Die Zirkonium-98-Kerne zerfallen zwar im Schnitt erst nach einer halben Minute. Aber der angeregte Zustand, der sich nach der Kollision mit den Platinkernen ergibt, hält nur für einige Pikosekunden an – also wenige Billionstel Sekunden. Dann kehren die Zirkonium-98-Kerne wieder in ihren Grundzustand zurück, indem sie Gammastrahlung aussenden. Diese Strahlung haben wir analysiert – und konnten so auf die Form der angeregten Zirkonium-98-Kerne zurückschließen.

Volker Werner

Und wie sieht der Kern von Zirkonium aus?

Volker Werner: Nun, die stabilen Atomkerne von Zirkonium-90 bis hin zu Zirkonium-94 sind kugelförmig. Die schwereren und radioaktiven Kerne zeigen eine zunehmende Deformation. Zirkonium-100 etwa, das aus 40 Protonen und 60 Neutronen besteht, sieht bereits im Grundzustand aus wie ein Rugbyball. Das nun von uns untersuchte Zirkonium-98 zeigt diesen Übergang erst bei einer Anregung.

Wie lässt sich der Übergang von der Kugelform zum Rugbyball erklären?

Volker Werner: Das ist eine direkte Folge der Schalenstruktur im Atomkern: Neutronen und Protonen ordnen sich in Schalen an – ähnlich wie die Elektronen in der Atomhülle. Durch die starke Wechselwirkung zwischen den Nukleonen – also den Protonen und Neutronen – können sich die Schalen aber ändern. Das passiert entweder durch Hinzufügen von Nukleonen, wie beim Schritt von Zirkonium-98 zu Zirkonium-100, oder durch Umordnen der Nukleonen in andere Orbitale. Letzteres geschah beim Übergang von Zirkonium-98 in den ersten angeregten Zustand. Durch die dabei wirkenden Kräfte wird der Kern quasi auseinandergezogen. So koexistieren im Kern – je nach Konfiguration der Nukleonen – zwei verschiedene Kernformen. Diese neuen Erkenntnisse werden die Theoretiker noch eine Weile beschäftigen.

Zeigen andere Atomkerne ein ähnliches Verhalten?

Waldemar Witt: Man kennt die Koexistenz verschiedener Formen in einem Kern auch von anderen Elementen wie Magnesium, Quecksilber oder Blei. Abstrakt gesehen handelt es sich beim Übergang von einer Form zur anderen um einen Strukturwandel in der Kernmaterie. Ändert sich die Form abrupt, spricht man von einem Phasenübergang – wie etwa beim Übergang von fest zu flüssig. Bei solchen makroskopischen Phasenübergängen hat man es aber üblicherweise mit einer Vielzahl von Teilchen zu tun. Im Atomkern sind aber nur wenige Teilchen in zweistelliger Größenordnung beteiligt. Das macht sie für solche fundamentalen Fragestellungen natürlich zu besonderen Testobjekten.