Wie sich berechnen lässt, wann Atomkerne instabil werden

11. Dezember 2017, 16:04
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Neues Modell liefert detailliertere Einblicke in den Aufbau von Atomkernen

Bonn – Atome bestehen aus einer Hülle und einem Kern. Die Hülle wird von den negativ geladenen Elektronen gebildet. Sie sind dafür verantwortlich, dass Atome chemische Bindungen eingehen können. Der Kern ist dagegen positiv geladen. Er hält die Elektronen aufgrund der elektrostatischen Anziehung gewissermaßen fest.

Für die positive Kernladung sorgen dabei die Protonen. Von ihnen gibt es stets genauso viele wie Elektronen. Atome sind daher insgesamt gesehen elektrisch neutral. Ein Kohlenstoff-Atom etwa besteht aus sechs Elektronen und sechs Protonen. Daneben enthält der Kern des Kohlenstoff-Atoms aber auch noch ungeladene Teilchen, die Neutronen. Meist sind dies im Kohlenstoff ebenfalls sechs, es können aber auch sieben oder acht sein.

Eingeschränkte Freiheit

Wenn der Kern eines Atoms jedoch zu viele Neutronen enthält, wird er instabil. Das Atom kann dann zerbrechen – es zerfällt. Wann das genau passiert, ist von Atom zu Atom unterschiedlich. "Bisher ließ sich nicht exakt berechnen, bei wie vielen Neutronen dieser Punkt erreicht ist", sagt Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. Denn im Kern wirken unterschiedliche Kräfte. Die gängigen Algorithmen können manche davon genau berechnen, andere jedoch nur näherungsweise bestimmen.

Meißner und Kollegen haben nun einen anderen Ansatz gewählt – eine Art "Freiheitsberaubung", die sie in den "Physical Review Letters" vorstellen. In der Realität können sich die Protonen und Neutronen nämlich an beliebigen Stellen im Raum aufhalten. Für ihre Berechnungen schränkten die Forscher diese Freiheit ein: "Wir ordneten unsere Kernteilchen auf den Knotenpunkten eines dreidimensionalen Gitters an", so Serdar Elhatisari, Erstautor der Studie. "Wir erlaubten ihnen also nur bestimmte, streng definierte Positionen." Für eine derartige Gitterkonfiguration lässt sich relativ einfach die Bindungsenergie zwischen den Teilchen bestimmen.

Vielversprechendes Ergebnis

Im nächsten Schritt durften die Kernteilchen die Plätze tauschen. Dadurch entstand eine neue Gitterkonfiguration. Wenn diese energetisch günstiger war als die erste, diente sie als Basis für einen erneuten Platztausch. "Diesen Schritt haben wir millionenfach wiederholt", so Meißner. "Wir näherten uns dadurch immer mehr der Kern-Konfiguration, die energetisch optimal ist. Und auf dieser Grundlage konnten wir dann berechnen, ob der Kern mit der vorgegebenen Anzahl von Protonen und Neutronen stabil ist oder nicht."

Das Verfahren liefert zwar exakte Ergebnisse zu den Bindungsverhältnissen im Atomkern, aus der Zuordnung der Kernteilchen zu bestimmten diskreten Positionen ergeben sich aber auch Nachteile. So ist es im Normalfall nicht möglich, die genaue Dichteverteilung des Kerns zu berechnen. Meißner: "Wir haben unser Verfahren aber so modifiziert, dass auch das möglich ist." Die Ergebnisse würden einen detaillierteren Einblick in den Aufbau der Atomkerne erlauben und könnten dabei helfen, die Entstehung der Elemente nach dem Urknall besser zu verstehen, hofft der Physiker. (red, 11.12.2017)

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