Laserspektroskopie superschwerer Elemente Versteckte Kerneigenschaften von Fermium aufgedeckt

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Erstmals ist es Forschenden gelungen, die Form des Atomkerns von Fermium-255 zu bestimmen und dessen Struktur mit hoher Präzision und Auflösung zu vermessen. Dieser Durchbruch stützt moderne theoretische Modelle und eröffnet neue Möglichkeiten für das Verständnis der Eigenschaften der schwersten Atomkerne.

Die Untersuchung der Formen von Atomkernen liefert wichtige Erkenntnisse über deren innere Struktur. Bei sehr schweren Nukliden hängt die Kernform eng mit ihrer Stabilität gegenüber der spontanen Kernspaltung zusammen und ist daher ein entscheidender Faktor bei der Suche nach langlebigeren superschweren Elementen. Die Spontanspaltung beruht auf der starken gegenseitigen Abstoßung der vielen Protonen in schweren Kernen und beschränkt letztlich die Existenz von Elementen jenseits von Uran (Element 92).

Mehr Rugbyball als Kugel

Da solche schweren Kerne nur künstlich und in äußerst begrenzter Menge hergestellt werden können, stellt ihre Untersuchung eine große Herausforderung dar und erfordert spezielle Produktionsverfahren sowie hochempfindliche experimentelle Techniken. Ein Forscherteam unter Beteiligung der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun für eine Studie geeignete Proben erstellt und untersucht.

Die dazu nötigen Produktionswege erstreckten sich über mehrere Jahre und verschiedene Einrichtungen und führten schließlich zu Proben, die nur einige Milliarden Atome enthielten. Dies reichte dennoch aus, um hochpräzise Laserspektroskopie an Fermium-255 durchzuführen, dessen Kern 100 Protonen und 155 Neutronen enthält. Da die atomaren Energieniveaus in der Elektronenhülle von Fermium-255-Atomen empfindlich auf Kerneigenschaften reagieren, konnten die Forschenden durch deren Untersuchung Informationen über die Kernform gewinnen.

Die Kombination der experimentellen Daten zur Hyperfeinstruktur des optischen Spektrums mit modernsten atomtheoretischen Berechnungen erlaubte den Forschenden die Feststellung, dass der Fermium-255-Kern stark länglich deformiert ist und einem Rugbyball ähnelt. Die neuen Messungen korrigieren unphysikalische Werte in Standardtabellen, die auf früheren Berichten basieren, und lassen sich durch modernste Kernmodelle gut beschreiben.

Die Lehre von Atomkern und -hülle

Atome bestehen aus einem sehr kleinen positiv geladenen Kern, der von einer Elektronenwolke umgeben ist. Die innersten dieser Elektronen bewegen sich sehr nahe am Kern und reagieren daher empfindlich auf dessen Größe, Form und magnetische Eigenschaften. Durch die Untersuchung dieser Effekte mit hochpräziser Laserspektroskopie können Forschende Erkenntnisse über die Struktur des Kerns gewinnen. Dazu wird Laserlicht auf die Atome gerichtet und dessen Farbe (Frequenz) sorgfältig abgestimmt, um winzige Veränderungen in den Energieniveaus der Elektronen zwischen den Quantenzuständen nachzuweisen.

Die meisten Atomkerne sind nicht perfekt rund, sondern deformiert, wobei viele einem Rugbyball ähneln. Dies hat Effekte auf ihre Wechselwirkung mit dem von den umgebenden Elektronen erzeugten elektrischen Feld. Ein zweiter elektromagnetischer Effekt tritt bei Kernen auf, die eine ungerade Anzahl von Neutronen enthalten: Sie wirken wie winzige Magnete. Insgesamt führt das Zusammenspiel solcher Kerne mit ihrer Elektronenhülle zu einer winzigen Aufspaltung der elektronischen Übergänge in mehrere eng beieinanderliegende Niveaus. Dies wird als Hyperfeinwechselwirkung bezeichnet. Diese Aufspaltungen lassen sich mithilfe von fortschrittlichen Laserspektroskopie-Verfahren hochpräzise vermessen, woraus detaillierte Informationen über den Kern gewonnen werden.

Die erstmalige Beobachtung von Energieniveaus in Fermium-Atomen gelang vor mehr als 20 Jahren an der JGU. Aufgrund der damaligen technischen Einschränkungen konnte die Hyperfeinstruktur jedoch nicht aufgelöst werden, was zu unvollständigen und teilweise widersprüchlichen Kerndaten führte.

3D-Aufnahme von Molekülorbitalen

Forscher bilden Wellenfunktion eines Moleküls dreidimensional ab

Von der Isotopenproduktion zur Laserspektroskopie

Fermium kommt in der Natur nicht vor und muss künstlich hergestellt werden, was experimentelle Untersuchungen besonders anspruchsvoll macht. Die Herstellung von Fermium-255 begann mit monatelangen Neutronenbestrahlungen von Transuranmaterial im Hochfluss-Isotopenreaktor des Oak Ridge National Laboratory (USA), wodurch Einsteinium-254 entstand. Nach dem ersten Einsatz in Experimenten in den USA wurde das Material zur Präparation der Laserspektroskopie-Experimente an die JGU transportiert, von wo aus sie anschließend ans Institut Laue-Langevin in Frankreich weitergeleitet wurden. Dort wurden sie einer weiteren Neutronenbestrahlung unterzogen, bei der Einsteinium-255 erzeugt wurde. Dieses Isotop, das zu Fermium-255 zerfällt, wurde schließlich nach Mainz zurückgebracht.

Mit seiner Halbwertszeit von 40 Tagen dient Einsteinium-255 über mehrere Wochen hinweg als kontinuierliche Quelle für Fermium-255. Regelmäßige chemische Trennungen an der JGU ermöglichten die Herstellung mehrerer Proben mit einem Gehalt von mehreren zehn Millionen bis zu einer Milliarde Atomen für die spektroskopischen Experimente.

Die hochempfindlichen Laserspektroskopie-Messungen wurden am RISIKO-Separator der JGU durchgeführt. Im Experiment wurden die Fermium-Proben auf etwa 1.000 Grad Celsius erhitzt, wodurch Atome verdampften. Diese Atome wurden anschließend mit Laserlicht bestrahlt. Die resonante Anregung führte zur Ionisierung, was einen selektiven Nachweis ermöglichte. Dem Team gelang es, die Hyperfeinstruktur zweier optischer Übergänge aufzulösen – ermöglicht durch maßgeschneiderte Ti:Saphir-Lasersysteme und umfassende Fachkenntnisse im Umgang mit extrem kleinen Probenmengen.

Berechnungen stimmen mit experimentellen Ergebnissen überein

Zur Interpretation der experimentellen Spektren wurden an der Jagiellonen-Universität in Krakau (Polen) und am HIM in Mainz spezielle atomtheoretische Berechnungen durchgeführt. Diese Berechnungen bestätigten die stark deformierte Kernform und ergaben ein magnetisches Dipolmoment, das von zuvor tabellierten Werten abweicht und diese korrigiert. Die Ergebnisse stimmen hervorragend mit den Vorhersagen der modernen Kernphysik überein, die am CEA Arpajon (Frankreich), am IP2I Lyon (Frankreich) und an der Technischen Universität Darmstadt (Deutschland) entwickelt wurden.

Das Experiment schließt eine wichtige Lücke im Wissen über die Kerneigenschaften der schwersten Elemente und zeigt, dass Präzisionsmessungen selbst mit extrem geringen Materialmengen möglich sind.

Durch die Bereitstellung genauer Informationen über die Kernform und die magnetischen Eigenschaften in solch schweren Systemen verbessern die Ergebnisse direkt die Modelle der Kernspaltung, tragen zur Vorhersage der Stabilität noch unbekannter superschwerer Elemente bei und weisen den Weg für zukünftige Entdeckungen an den Grenzen des Periodensystems.)

Die Experimente wurden im Rahmen einer internationalen Kollaboration von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus 18 Institutionen durchgeführt – unter der Leitung der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU), des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) als Außenstelle von GSI/FAIR Darmstadt und der Universität Göteborg in Schweden, an der auch die Erstautorin der aktuellen Studie, Mitzi Urquiza-González, tätig ist. Die Hübner Photonics GmbH stellte ihre Expertise im Bereich fortschrittlicher Lasertechnologie zur Verfügung, die für die erfolgreiche Durchführung des Experiments von entscheidender Bedeutung war.

Originalpublikation: M. Urquiza-González et al.: High-Resolution Laser Spectroscopy on the Hyperfine Structure of 255FM (Z = 100), Physical Review Letters 136: 192501, 15. Mai 2026; DOI: 10.1103/2813-b49x

Tool-Tipp: interaktive Nuklidkarte – NUBASE Evaluation of nuclear properties, IAEA Nuclear Data Section