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Neue Isotope vorhergesagt Wie viele Neutronen kann ein Atom ertragen?

Redakteur: Christian Lüttmann

Ein Atom – viele Gesichter: Allein Kohlenstoff hat 15 bekannte Isotope, zwei davon stabil. Und auch bei den anderen Elementen variiert die mögliche Anzahl von Neutronen im Kern mehr oder weniger stark. Wie weit sich diese Varianz theoretisch ausweiten lässt, hat ein internationales Forscherteam nun mit einer neuen Methode berechnet. Das Ergebnis ist eine Nuklidkarte, die die Grenzen von Atomkernen absteckt.

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Neutronen halten den Atomkern zusammen. Doch wie viele Neutronen kann ein Atom theoretisch enthalten? Dies haben Forscher für verschiedene Elemente berechnet (Symbolbild).
Neutronen halten den Atomkern zusammen. Doch wie viele Neutronen kann ein Atom theoretisch enthalten? Dies haben Forscher für verschiedene Elemente berechnet (Symbolbild).
(Bild: gemeinfrei, geralt / Pixabay )

Darmstadt – Atomkerne werden durch die starke Wechselwirkung zwischen Neutronen und Protonen zusammengehalten. Nur etwa zehn Prozent der bekannten Atomkerne sind stabil. Ausgehend von diesen stabilen Isotopen werden Kerne durch Hinzufügen oder Entfernen von Neutronen immer instabiler, bis Neutronen sich nicht mehr an den Kern binden können und „heraustropfen“. Diese Grenze der Existenz wird auf Englisch als „neutron drip line“ bezeichnet. Sie wurde experimentell bislang nur für leichte Elemente bis Neon entdeckt.

In einer neuen Studie gelang es Professor Achim Schwenk von der TU Darmstadt, gemeinsam mit Wissenschaftlern der University of Washington, des kanadischen Forschungszentrums Triumf und der Universität Mainz, die Grenzen von Atomkernen mithilfe neuer theoretischer Methoden bis zu mittelschweren Kernen zu berechnen. Die Ergebnisse sind eine Fundgrube an Informationen über mögliche neue Isotope und liefern einen Fahrplan für Kernphysiker, um diese zu verifizieren.

700 Isotope per Schrödinger Gleichung berechnet

Globale ab initio Berechnungen von Helium bis Eisen (Element He und Fe). <br> Ein Atomkern setzt sich aus einer bestimmten Anzahl an Neutronen (x-Achse) und Anzahl an Protonen (y-Achse) zusammen. Der graue Bereich zeigt alle rund 700 berechneten Atomkerne von den Elementen Helium bis Eisen. Die Farbe (und Höhe) des Balkens deutet für jedes Isotop die Wahrscheinlichkeit an, dass dieses Isotop gebunden ist, also zumindest für kurze Zeit existieren könnte (probability bound). Zum Vergleich sind die experimentell bekannten Neutronen- und Protonen-Driplines bzw. das zuletzt entdeckte Isotop mit ausgefüllten bzw. leeren Tröpfchensymbolen gezeigt.
Globale ab initio Berechnungen von Helium bis Eisen (Element He und Fe). <br> Ein Atomkern setzt sich aus einer bestimmten Anzahl an Neutronen (x-Achse) und Anzahl an Protonen (y-Achse) zusammen. Der graue Bereich zeigt alle rund 700 berechneten Atomkerne von den Elementen Helium bis Eisen. Die Farbe (und Höhe) des Balkens deutet für jedes Isotop die Wahrscheinlichkeit an, dass dieses Isotop gebunden ist, also zumindest für kurze Zeit existieren könnte (probability bound). Zum Vergleich sind die experimentell bekannten Neutronen- und Protonen-Driplines bzw. das zuletzt entdeckte Isotop mit ausgefüllten bzw. leeren Tröpfchensymbolen gezeigt.
(Bild: Stroberg et al.; DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.022501)

Die neue Arbeit ist nicht der erste Versuch, den extrem neutronenreichen Bereich der Kernlandschaft theoretisch zu erforschen. Frühere Untersuchungen nutzten die Dichtefunktionaltheorie, um gebundene Isotope zwischen Helium und den schweren Elementen vorherzusagen. Schwenk und seine Kollegen hingegen erstellten nun erstmals die Nuklidkarte auf der Basis der ab-initio-Kerntheorie. Ausgehend von Zwei- und Drei-Teilchen-Wechselwirkungen lösten sie die Vielteilchen-Schrödinger-Gleichung, um die Eigenschaften von Atomkernen von Helium bis Eisen zu simulieren. So berechneten die Forscher die Grundzustandsenergien von fast 700 Isotopen. Die Ergebnisse stimmen mit früheren Messungen überein und dienen als Basis, um die Lage der Neutronen- und Protonen-Dripline zu bestimmen. Durch Vergleiche mit experimentellen Massenmessungen und eine statistische Analyse haben die Wissenschaftler auch theoretische Unsicherheiten für die Vorhersagen bestimmt, etwa für die Separationsenergien der Atomkerne und so auch für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Isotop gebunden ist oder nicht existiert (siehe Abbildung).

Prozesse in Neutronensternen modellieren

Die neue Studie ist den Forschern zufolge ein Fortschritt für das Verständnis, wie die Nuklidkarte und Kernstruktur aus der starken Wechselwirkung entstehen. Als nächstes wollen die Wissenschaftler ihre Berechnungen auf schwerere Elemente ausweiten, um den Input für die Simulation der Synthese schwerer Elemente voranzutreiben. Diese verläuft in neutronenreichen Umgebungen in Richtung der Neutronen-Dripline und findet in der Natur beim Verschmelzen von Neutronensternen oder in extremen Supernovae statt.

Originalpublikation: S. R. Stroberg, J. D. Holt, A. Schwenk, and J. Simonis: Ab Initio Limits of Atomic Nuclei. , Phys. Rev. Lett. Vol. 126, Iss. 2 — 15 January 2021

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