Laserspektroskopie bringt versteckte Kerneigenschaften in Fermium zum Vorschein

Forschenden ist erstmals die Präzisionsmessung der Kernstruktur von Fermium-255 gelungen. Die Ergebnisse stützen moderne theoretische Modelle. Zudem eröffnen sie neue Wege zur Erforschung schwerster Atomkerne. Die Form von Atomkernen liefert Schlüsselinformationen über deren innere Struktur. Bei sehr schweren Nukliden bestimmt die Kernform maßgeblich die Stabilität gegenüber spontaner Kernspaltung. Diese Spaltung beschränkt die Existenz von Elementen jenseits von Uran. Ursache ist die starke elektrostatische Abstoßung der Protonen.

Experimentelle Herausforderungen bei Transuranen

Die Untersuchung künstlich hergestellter Kerne erfordert extrem empfindliche Messverfahren. Vieljährige Produktionswege über mehrere Forschungsstätten lieferten Proben mit nur wenigen Milliarden Atomen. Diese Substanzmenge reichte für die hochpräzise Laserspektroskopie an Fermium-255 aus. Dieser Kern besteht aus 100 Protonen und 155 Neutronen. Aufgrund der Sensitivität der atomaren Energieniveaus gegenüber Kerneigenschaften wurden präzise Daten zur Kernform gewonnen. Die Experimente führte eine internationale Kollaboration aus 18 Institutionen durch. Die Leitung lag bei der Universität Mainz, dem HIM Mainz und der Universität Göteborg. Die HÜBNER Photonics GmbH unterstützte das Projekt.

Hyperfeinstruktur und Kerndeformation

Die Kombination der Spektraldaten der Hyperfeinstruktur mit atomtheoretischen Berechnungen belegt eine stark längliche Deformation des Fermium-255-Kerns. Die Geometrie ähnelt somit einem Rugbyball. Diese Messungen korrigieren fehlerhafte Werte in bisherigen Standardtabellen. Die innersten Elektronen bewegen sich nah am Kern. Sie reagieren daher empfindlich auf dessen Geometrie und Magnetismus. Mittels frequenzabgestimmten Laserlichts werden minimale Energieniveau-Verschiebungen zwischen Quantenzuständen gemessen.

Deformierte Kerne interagieren spezifisch mit dem elektrischen Feld der Elektronen. Kerne mit ungerader Neutronenzahl besitzen zudem ein magnetisches Dipolmoment. Dieses Zusammenspiel führt zur Hyperfeinwechselwirkung mit charakteristischer Niveauaufspaltung. Hochauflösende Laserspektroskopie macht diese Wechselwirkungen präzise messbar. Frühere Messungen vor über 20 Jahren an der JGU konnten diese Aufspaltung technologisch bedingt nicht auflösen.

Isotopenproduktion und spektroskopischer Nachweis

Fermium kommt natürlich nicht vor. Die Synthese von Fermium-255 begann mit der Neutronenbestrahlung von Transuranen in Oak Ridge (USA) zu Einsteinium-254. Nach Präparation an der JGU folgte eine weitere Neutronenbestrahlung am ILL (Frankreich) zu Einsteinium-255. Dieses zerfällt mit einer Halbwertszeit von 40 Tagen zu Fermium-255.

Regelmäßige chemische Trennungen an der JGU lieferten Proben von einigen Millionen bis Milliarden Atomen. Die spektroskopischen Messungen erfolgten am RISIKO-Separator der JGU. Nach thermischer Verdampfung bei 1.000 °C wurden die Atome resonant laserionisiert. Durch maßgeschneiderte Ti:Saphir-Lasersysteme konnte die Hyperfeinstruktur zweier optischer Übergänge aufgelöst werden.

Theoretische Validierung und Ausblick

Atomtheoretische Berechnungen in Krakau und Mainz bestätigten die stark deformierte Kernform. Das ermittelte magnetische Dipolmoment korrigiert die bisherigen Tabellenwerte. Die Daten stimmen hervorragend mit Kernmodellen aus Arpajon, Lyon und Darmstadt überein.

Das Experiment zeigt die Durchführbarkeit von Präzisionsmessungen an kleinsten Substanzmengen. Die gewonnenen Strukturdaten verbessern die Modelle zur Kernspaltung und Stabilitätssuche superschwerer Elemente.

Quelle

Johannes Gutenberg-Universität Mainz (08/2026)