Quanteneffekte in der Stabilität der Materie experimentell beobachtet

Seit der Entdeckung der Radioaktivität haben Wissenschaftler versucht die Zerfallswahrscheinlichkeit der Kerne und somit die Stabilität der Materie zu ändern. Ziele waren grundsätzliche Untersuchungen des Kernzerfalls sowie astrophysikalischer Prozesse bei hohen Temperaturen in Sternen, aber auch Anwendungen wie die Umwandlung von radioaktivem Abfall in stabile Kerne. Kleine Änderungen, bis zu einigen Prozent, wurden durch Änderungen von Druck Temperatur und chemischer Bindung erreicht, größere erfolgten bei starker Ionisation der Atome infolge der Modifizierung der Elektronendichte im Kern.

Einen faszinierenden Effekt bei der Zerfallswahrscheinlichkeit von Praseodym-Kernen, Kernen eines Seltenerdmetalls, konnte ein internationales Physikerteam unter Beteiligung einer Gruppe des Stefan-Meyer-Instituts für subatomare Physik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Technischen Universität München unter Leitung von Paul Kienle erzielen. Das überraschende an dem Experiment war, dass Praseodym-Ionen mit einem Elektron eineinhalb mal schneller zerfielen als Praseodym-Ionen mit zwei Elektronen in der K-Schale (innerste Schale im Atom rund um den Atomkern). Kerne mit einem Elektron in der K-Schale zerfallen also schneller als solche mit zwei Elektronen oder ein neutrales Praseodym-Atom mit 59 Elektronen. Ein Paradoxon: "Weniger ist mehr" bei radioaktiven Zerfällen. Publiziert wurden die Ergebnisse kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift "Physical Review Letters" (Phys. Rev. Lett. 99, 262501 (2007).

Neuer Zerfallsprozess erstmals in den 1990er Jahren entdeckt

Ein Durchbruch in der Erforschung der Zerfallsprozesse von Atomen gelang in den 1990er Jahren an der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (GSI), als Ionen, elektrisch geladene Atome, nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden. Beim Durchschuss einer Metallfolie gingen alle Elektronen dieser Ionen verloren. Bei der Aufsammlung dieser Ionen in einem magnetischen Speicherring und der Untersuchung ihrer Eigenschaften wurde ein neuer Zerfallsprozess entdeckt, der so genannte ß-Zerfall zu gebundenen, ursprünglich unbesetzten, Elektronenzuständen des Tochterkerns.

Neutrale Dysprosium-Atome mit der Massenzahl 163 kommen als "Seltene Erde" in der Natur vor und sind nicht radioaktiv. Streift man alle Elektronen ab, so zerfallen sie unter Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Das dabei entstehende Elektron wird in der leeren K-Schale des Holmium-Ions gebunden. Holmium ist ebenfalls ein Metall, das den "Seltenen Erden" zugerechnet wird. Ein Antineutrino trägt die dabei freiwerdende Energie weg. Das neutrale Dysprosium-Atom wird also nach Entfernung aller Elektronen radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 43 Tagen in Holmium. Ein solcher Zerfallsprozess findet tatsächlich im hoch ionisierten Plasma von Sternen statt. "Die neuen Erkenntnisse erlauben es, Vorgänge, die normalerweise in Sternen ablaufen, im Labor nachzuvollziehen", erklärt Paul Kienle, Stefan-Meyer-Institut für subatomare Physik der ÖAW.

Astrophysikalische Vorgänge im Labor nachstellen

Das internationale Forscherteam um Paul Kienle untersuchte im Speicherring der GSI den zum β-Zerfall zur K-Schale zeitumgekehrten Zerfall mit neutronenarmen Praseodym-Kernen der Masse 140 (¹⁴⁰Pr), die ein oder zwei Elektronen in der K-Schale besitzen. Dabei wird ein Elektron aus der K-Schale vom ¹⁴⁰Pr Kern eingefangen, ein Proton wandelt sich um in ein Neutron, es entsteht ein vollkommen ionisierter Cerium Kern der Masse 140 (¹⁴⁰Ce) und ein Neutrino trägt die Zerfallsenergie weg. Bei dem Experiment kam es zu dem unerwarteten Ergebnis, dass Praseodym-Ionen mit einem Elektron eineinhalb mal schneller zerfielen als Praseodym-Ionen mit zwei Elektronen in der K-Schale.

Erklärt kann das Paradoxon mithilfe der Regeln der Quantenstatistik werden. Solche quantenphysikalische Anomalitäten in radioaktiven Zerfällen kommen auf Grund der Spinstatistik, die auf den Physiker Enrico Fermi zurückgeht (Fermistatistik), dem "Pauliverbot" ("Ausschließungsprinzip", entdeckt vom österreichischen Nobelpreisträger Wolfgang Pauli) und der Drehimpulserhaltung in der Natur in den heißen Plasmen von Sternen vor. Erstmals können sie jetzt mit hochionisierten Kernen in Speicherringen im Labor untersucht werden.

ÖAW Article