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| Präzise Erkenntnisse aus kalten Ionen |
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Präzise Erkenntnisse aus kalten Ionen
Hochgeladene und gekühlte
Ionenstrahlen, die in Speicherringen umlaufen, haben der Atomphysik
neue experimentelle Felder mit bis dahin kaum vorstellbaren
Perspektiven erschlossen. Bislang nicht zugängliche
Untersuchungsobjekte wie wasserstoffähnliches Uran ermöglichen
neuartige Präzisionsexperimente für den Test fundamentaler Theorien.
Darüber hinaus liefern sie wichtige spektroskopische Daten für die
Astrophysik.
Die experimentelle Untersuchung und
theoretische Erklärung der Spektrallinien von einfachen Atomen, die nur
ein oder zwei Elektronen haben, bescherten der Physik zu Beginn dieses
Jahrhunderts einen Quantensprung, nicht nur den von Niels Bohr bei der
Aufstellung des ersten Atommodells postulierten, sondern auch einen
Quantensprung im Sinne eines stufenartigen Fortschritts bei der
Weiterentwicklung unseres naturwissenschaftlichen Weltbildes insgesamt.
Die immer deutlicher werdenden und immer tiefer verstandenen
Gesetzmäßigkeiten des Spektrums des Wasserstoffatoms führten zu dem
faszinierenden Gedankengebäude der Quantenmechanik. Ohne diese wäre die
Entwicklung der Basistechnologien unserer Zeit - Mikroelektronik und
Laser - kaum denkbar gewesen.
Dabei haben sich Experiment und Theorie ständig gegenseitig
herausgefordert und angetrieben. Nachdem Paul Dirac in einer scheinbar
endgültigen Theorie für das Wasserstoffatom die Quantenmechanik
einerseits und die spezielle Relativitätstheorie andererseits
miteinander hatte vereinigen können, gelang es durch immer präzisere
experimentelle Techniken, eine winzige, in Diracs Modell nicht
enthaltene Verschiebung im Wasserstoffspektrum aufzuspüren: die nach
ihrem Entdecker Willis Lamb benannte Lamb-Verschiebung.
Aus dieser experimentellen Beobachtung entwickelte sich die
Quantenelektrodynamik, die heute als die zentrale Theorie der
Atomphysik gilt. Sie ist darüber hinaus die am genauesten überprüfte
und am besten bestätigte Theorie der gesamten Physik. Allerdings konnte
sie bisher nur an wasserstoffähnlichen Atomen mit relativ niedriger
Kernladungszahl Z - mit Z kleiner als 15 - überprüft werden.
Einfache Atome testen komplizierte Theorien
Da
andererseits die Effekte der Quantenelektrodynamik sehr stark mit der
Kernladungszahl anwachsen sollten, etwa proportional zu Z4, war es
stets ein großer Wunsch der Physiker, Atome mit möglichst großem Z und
möglichst wenigen Elektronen in Präzisionsexperimenten studieren zu
können. Ziel solcher Untersuchungen ist die exakte Bestimmung der
Bindungsenergien eines Elektrons in einem Z-fach geladenen Atom, also
die Wiederholung der früheren Pionierexperimente am Wasserstoffatom,
doch nun an schweren wasserstoffähnlichen Ionen. Die Ergebnisse solcher
Experimente können dann mit den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik
verglichen werden - und diese Theorie bestätigen oder sie als falsch
beziehungsweise unvollständig entlarven.
Neben diesem fundamentalen Aspekt gibt es auch eine starke
astrophysikalische Motivation zur Untersuchung hochgeladener schwerer
Atome: Hochionisierte Atome bilden, zusammen mit Elektronen und
Neutronen, die Materie heißer Sternplasmen. In solcher Sternmaterie
entstanden - und entstehen heute noch - bei Temperaturen von einigen
100 Millionen Grad alle schweren Elemente jenseits des Eisens, die im
Universum vorhanden sind. Häufigkeit und Geschwindigkeit dieser
Synthese hängen erheblich von der Zahl der gebundenen Elektronen ab,
also vom Ladungszustand des Atoms. Daher war es stets der Wunsch der
Astrophysiker, Sternmaterie in einem irdischen Laboratorium zu
studieren.
Erst in jüngster Zeit konnte man diesem Ziel dank großer
beschleunigertechnischer und instrumenteller Fortschritte näher kommen.
So gelang es bei der GSI erstmals, für alle Elemente bis hin zum Uran
»nackte« Ionen zu erzeugen, also Atomkerne, die vollständig ihrer
Elektronenhülle beraubt sind. Außer bei der GSI ist dies gegenwärtig
nur noch am amerikanischen Livermore-Laboratorium möglich, wo man die
hochgeladenen Ionen über ein anderes Verfahren in einer
Elektronenstrahl-Ionenfalle erzeugt. In Darmstadt bestehen diese
experimentellen Möglichkeiten seit vier Jahren, und in dieser kurzen
Zeit wurden bereits Ergebnisse erzielt, die die an die Anlage
geknüpften hohen Erwartungen weit übertroffen haben. Möglich wurde dies
vor allem durch den Einbau eines Strahlkühlers, der den Ionen eine
nahezu einheitliche Umlaufgeschwindigkeit verleiht.
Elektronen als »Kühlmittel« für schwere Ionen
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Der Elektronenkühler am Experimentier-Speicherring ESR. Die Elektronen
kommen von rechts oben, werden in die Horizontale umgelenkt und
begleiten nun in dem etwa zwei Meter langen waagerechten Rohrabschnitt
(das glatte gelbe Rohr in der Bildmitte) den von rechts kommenden
Ionenstrahl. Durch Energieaustausch kühlen die Elektronen den
Ionenstrahl und verlassen die Ionenbahn links hinten wieder nach oben.
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Die hochgeladenen Ionen sind noch nicht
sehr energiescharf, wenn sie in den Speicherring ESR eingeschossen
werden, das heißt, sie haben noch nicht exakt die gleichen
Geschwindigkeiten. Um ihnen nun eine einheitliche »Sollgeschwindigkeit«
aufzuprägen, benutzt man eine Methode, die vor 30 Jahren in Nowosibirsk
entwickelt wurde und sich inzwischen an allen Speicherringen der Erde
bewährt hat, die Elektronenkühlung. Dabei wird dem Ionenstrahl auf
einer Strecke von etwa zwei Metern ein paralleler Strahl von Elektronen
mit wohldefinierter Geschwindigkeit überlagert.
Jedes im Speicherring zirkulierende Ion tauscht dann mehr als
millionenmal pro Sekunde seine Energie mit dem Elektronenstrahl aus und
erhält so in Bruchteilen einer Sekunde exakt die Geschwindigkeit des
Elektronenstrahls. Gleichzeitig verringert sich der Durchmesser des
Ionenstrahls auf wenige Millimeter, und seine Divergenz wird drastisch
reduziert. Im Bezugssystem des Ionenstrahls entspricht dieser Vorgang
einer Verringerung der ungeordneten Bewegungen der einzelnen
Strahlpartikel, die sich formal durch eine erniedrigte Strahltemperatur
beschreiben läßt. Aus diesem Grund spricht man von einer Kühlung der
Ionen durch den Elektronenstrahl. Als Ergebnis dieser Kühlung kreist im
Ultrahochvakuum des Speicherrings für viele Minuten bis Stunden ein
energiescharfer brillanter Ionenstrahl.
Diese hochgeladenen Ionen können nun Elektronen einfangen,
beispielsweise aus dem Elektronenstrahl, und damit ihre bisher freien
Zustände besetzen. Beim Übergang eines derart eingefan-genen Elektrons
in tieferliegende Zustände - bis hinunter zum Grundzustand - werden
Röntgenstrahlen ausgesandt, und eine genaue Messung der Energien dieser
Röntgenquanten liefert präzise Informationen über die Bindungsenergien
eines Elektrons in dem betreffenden Atom. Damit wird die frühere
Spektroskopie am Wasserstoff nun an schweren wasserstoffähnlichen
Atomen wiederholbar, aber mit dem Unterschied, daß die Beiträge der
Quantenelektrodynamik wegen der höheren Kernladungszahlen jetzt
ungleich deutlicher zutage treten. Zum Beispiel beträgt
dieLamb-Verschiebung des Grundzustands beim wasserstoffähnlichen Uran
etwa 450 eV - verglichen mit nur 0,000032 eV beim Wasserstoffatom.
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Röntgenübergänge in den Grundzustand von wasserstoffähnlichem Uran.
Aufgrund der Relativbewegungen der im ESR umlaufenden Uran-Ionen sind
die beobachteten Röntgenlinien zu höheren Energien verschoben. |
Die Messung der Röntgenstrahlung nach dem
Elektroneneinfang erlaubt eine sehr präzise Bestimmung der Energien der
einzelnen Elektronenniveaus.
So konnte beispielsweise die Bindungsenergie des Elektrons im
Grundzustand von wasserstoffähnlichem Uran mit einer zuvor unerreichten
relativen Genauigkeit von 10-4 bestimmt werden. Das entspricht 16 eV
auf 132000 eV. Allerdings reicht dies für einen kritischen Test der
gegenwärtigen theoretischen Vorhersagen der Quantenelektrodynamik noch
nicht aus. Die Vorhersagen sind nämlich derzeit noch um etwa eine
Größenordnung - eine Zehnerpotenz - genauer. Es besteht aber die
begründete Hoffnung, diese für einen kritischen Test der Theorie
erforderliche Präzision in den kommenden Jahren mit Hilfe von besseren
Detektoren und ausgereifteren Nachweismethoden erreichen zu können.
Faszinierende Möglichkeiten zur Präzisions-Spektroskopie an
wasserstoffähnlichen schweren Ionen eröffnet auch die Überlagerung des
Ionenstrahls mit einem eingespiegelten Laserstrahl. Sobald ein Ion ein
Lichtquant von passender Energie »entdeckt« - einer Energie, die exakt
einer seiner möglichen Anregungsenergien entspricht -, kann es dieses
Quant absorbieren und dadurch in den angeregten Zustand »springen«. Ein
ganz wesentlicher Punkt ist hierbei, daß die im Labor gemessene Energie
des Laser-Photons im System des schnell bewegten Ions gemäß der von der
speziellen Relativitätstheorie geforderten Transformation verschoben
erscheint. Somit läßt sich durch eine simple Änderung der
Geschwindigkeit des Ionenstrahls die erforderliche Energie des
Lichtquants »durchstimmen« - eine äußerst vielseitige und präzise
experimentelle Methode zur Bestimmung von Resonanzenergien.
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Von der »Laserhütte« wird der Laserstrahl über Spiegel in den
Experimentier-Speicherring gelenkt und dort mit dem Schwerionenstrahl
zur Überlappung gebracht. (Im Bild wurde der Strahlverlauf
nachgezeichnet.) |
Damit gelang es, die Hyperfeinaufspaltung
des Grundzustandes von wasserstoffähnlichem Wismut zu messen, dessen
Ursache die Wechselwirkung des gebundenen Elektrons mit dem
magnetischen Moment des Atomkerns ist. Im neutralen Wasserstoff
entspricht diese Aufspaltung einer Wellenlänge von 21 cm. Diese
21-cm-Linie ist eine der wichtigsten Spektrallinien der Atomphysik
überhaupt. Unser Wissen über die Verteilung und die Geschwindigkeit des
bei weitem häufigsten Elements im Universum, des Wasserstoffs, stammt
zu einem Großteil aus der Analyse der 21-cm-Linie.
Außer für Wasserstoff und Helium konnte die
Hyperfeinaufspaltung noch für kein einziges weiteres
Ein-Elektronen-System gemessen werden. Das erfolgreiche
Wismut-Experiment war daher, in der Tat, ein »Quantensprung« der
Experimentierkunst. Die Genauigkeit von 10-4,
mit der das Fluoreszenzlicht-Signal als Funktion der Laserenergie
(beziehungsweise der Strahlgeschwindigkeit) gemessen wurde, erlaubte
es, sowohl kernphysikalische Parameter wie die Verteilung von Ladung
und Strömen im Wismutkern als auch Effekte der Quantenelektrodynamik zu
untersuchen. Um beide Anteile sauber voneinander zu trennen, sind
weitere Messungen der Hyperfeinaufspaltung an den Nachbarnukliden des
Wismut geplant. Diese können, wie im Kapitel »Struktur der Atomkerne«
beschrieben, am Fragmentseparator als exotische Strahlen erzeugt
werden. Damit lassen sich erstmals die Beiträge der magnetischen
Wechselwirkung zur Quantenelektrodynamik messen.
Nackte Ionen leben manchmal kürzer
Seit
hochgeladene Ionen für viele Stunden ohne wesentliche Verluste in
Schwerionen-Speicherringen zirkulieren können, lassen sich auch einige
andere Prozesse, die in heißen Sternplasmen ablaufen, in einem
irdischen Laboratorium studieren. So konnte am ESR eine vor mehr als 40
Jahren vorhergesagte besondere Form des radioaktiven Beta-Zerfalls, der
sogenannte gebundene Beta-Zerfall, zum ersten Mal beobachtet und
vermessen werden. Dabei wird das im Beta-Zerfall erzeugte Elektron
nicht wie im normalen Beta-Zerfall als freies Teilchen emittiert,
sondern von einem unbesetzten Zustand des selben Atoms gleich wieder
eingefangen. Für neutrale Atome, die auf der Erde den Normalzustand der
Materie bilden, hat dieser gebundene Beta-Zerfall nur geringe
Bedeutung, denn die Plätze in den diskreten Energieschalen sind in
neutralen Atomen alle besetzt. In der Sternmaterie, wenn die Atome ihre
Hüllenelektronen ganz oder teilweise verloren haben, kann der gebundene
Beta-Zerfall hingegen ein wichtiger - oder sogar der einzige -
Zerfallsprozeß sein.
Ein besonders interessanter Fall ist gegeben, wenn das
Elektron mit der ihm zur Verfügung stehenden Zerfallsenergie nicht mehr
das Atom verlassen kann. Dann ist für das neutrale Atom ein
Beta-Zerfall nicht möglich, es bleibt stabil. Für das ionisierte oder
gar nackte Atom hingegen ist ein gebundener Beta-Zerfall erlaubt - und
es zerfällt. Auf diese Art können nackte Atome ein wesentlich kürzeres
Leben als mit Elektronen »bekleidete« Atome haben. Genau dies ist der
Fall für das Nuklid Dysprosium mit der Massenzahl A = 163 und der
Ordnungszahl Z = 66.
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Ein neutrales Dysprosium-Atom mit vollbesetzten Elektronenschalen (linke
Bildhälfte) ist stabil, ein hochionisiertes mit unbesetzten
Elektronenzuständen (rechte Bildhälfte) kann dagegen zerfallen. Die
Buchstaben K, L und M bezeichnen die Elektronenschalen. |
Dieses Isotop wurde am
Experimentier-Speicherring ESR benutzt, um den gebundenen Beta-Zerfall
erstmals nachzuweisen und die dazugehörige Halbwertzeit zu bestimmen.
Rätselhafte Linien bei schwersten Stoßsystemen
Schwerionen-Atomphysik findet in Darmstadt selbstverständlich nicht nur
am neuen Speicherring ESR statt. Auch am »alten« UNILAC gab und gibt es
ein breites Spektrum von Experimenten. So wurden bereits vor einem
Jahrzehnt in zwei unabhängigen Experimenten schmale
Elektron-Positron-Linien mit Summenenergien im Bereich von 500 bis 800
keV in schwersten Stoßsystemen wie Uran auf Tantal und Uran auf Thorium
bei Einschußenergien an der Coulombbarriere beobachtet. Bekannten
Prozessen konnten diese Linien bislang nicht zugeordnet werden.
Spektakuläre Ansätze, sie als Zerfallssignal noch unbekannter Teilchen
zu erklären, ließen sich ebensowenig erhärten. Nach erheblichen
apparativen Verbesserungen wird nun in schwierigen und
strahlzeitintensiven Experimenten versucht, eine ausreichende
systematische Datenbasis zu erarbeiten, die es erlaubt, den Ursprung
der beobachteten Strukturen zu klären.
Andere UNILAC-Experimente haben Aufschluß über statische
Eigenschaften der Atome wie ihre Bindungsenergien oder über dynamische
Eigenschaften wie Ionisation oder Elektron-Elektron-Korrelationen
gegeben. Als eine neue, besonders zukunftsträchtige experimentelle
Methode erwies sich in jüngster Zeit die
Rückstoßionen-Impulsspektroskopie. Die im Stoß erzeugten Ionen und die
durch Ionisation freigesetzten Elektronen werden durch elektrische und
magnetische Felder aus der Wechselwirkungszone extrahiert und orts- und
energieempfindlichen Zählern zugeführt. So lassen sich Kinematik und
Energieübertrag einer atomaren Reaktion vollständig und mit hoher
Auflösung bestimmen. Diese Methode soll jetzt auch am Speicherring
angewandt werden und dort die spektroskopischen Möglichkeiten deutlich
erweitern.
Auch eine andere altbekannte Methode der Spektroskopie hat am
ESR zu eindrucksvollen Ergebnissen geführt: In einem hochgeladenen Atom
kann ein freies Elektron »resonant« eingefangen werden, wenn die beim
Einfang frei werdende Energie gerade der Anregungsenergie für ein
gebundenes Elektron entspricht. Diese dielektronische
Resonanz-Rekombination läßt sich im Speicherring durch ein
wohldefiniertes schnelles »Verstimmen« der Energie der Kühlerelektronen
gegenüber der der Ionen auslösen. Damit werden dann in einem
hochgeladenen Atom gezielt bestimmte angeregte Zustände erzeugt. Am ESR
wurden mit dieser Methode die Bindungsenergien von lithiumähnlichen
Goldatomen, also Kernen von Goldatomen mit nur drei gebundenen
Elektronen, mit einer Genauigkeit von etwa 1 eV bestimmt. Wenn es
gelingt, die Qualität des gekühlten Ionenstrahls noch weiter zu
verbessern, dürfte sich auch dieser Wert noch deutlich unterbieten
lassen.
Hochgeladene Ionen in Speicher-Kühlerringen und Ionenfallen
haben der Atomphysik neue experimentelle Felder erschlossen. Mit neuen
Untersuchungsobjekten konnten neuartige Experimente mit einmaliger
Präzision durchgeführt werden. Doch wurde bisher nur ein Teil des
weitaus größeren Potentials ausgeschöpft. Zu dessen weiterer
Erschließung müssen noch bessere experimentelle Methoden und Techniken
entwickelt werden. Wenn dies gelingt, wird man mit Fug und Recht
behaupten können, daß die in der Schwerionenforschung eingesetzten
Speicherringe - und hier nicht zuletzt der ESR in Darmstadt - für die
Atomphysik einen Quantensprung bewirkt haben.
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