Das Wort Magie wird im wissenschaftlichen Kontext nicht oft verwendet. Aber in den frühen 1930er Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass einige Atomkerne– der zentrale Teil der Atome, aus denen alle Materie besteht – waren stabiler als andere. Diese Kerne hatten eine bestimmte Anzahl von Protonen oder Neutronen oder magische Zahlen Physiker Eugene Wigner rief sie an.
Der Wettlauf um die Frage, was diese Kerne so stabil macht, begann. Das Verständnis dieser magischen Zahlen würde es Wissenschaftlern ermöglichen, die Eigenschaften anderer Kerne vorherzusagen, beispielsweise ihre Masse oder ihre voraussichtliche Lebensdauer. Damit könnten Wissenschaftler auch vorhersagen, welche Kombinationen von Protonen und Neutronen einen Kern ergeben können.
Die Lösung des Rätsels kam 1949 aus zwei Richtungen gleichzeitig. In den USA, Physikerin Maria Goeppert Mayer veröffentlichte gleichzeitig eine Erklärung mit eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von J. Hans D. Jensen in Deutschland habe die gleiche Lösung gefunden.
Für ihre Entdeckung erhielten die beiden Physiker jeweils ein Viertel 1963 Nobelpreis für Physik. Wir sind zwei Nuklearwissenschaftler dessen Arbeit auf den Entdeckungen von Goeppert Mayer und Jensen vor 75 Jahren aufbaut. Diese magischen Zahlen spielen weiterhin eine wichtige Rolle in unserer Forschung, erst jetzt können wir sie in Kernen untersuchen, die nur den Bruchteil einer Sekunde leben.
Stabilität im Atom
Das Atom ist ein komplexes Teilchensystem. Es besteht aus einem zentralen Kern, der aus Protonen und Neutronen, sogenannten Nukleonen, besteht und von Elektronen umkreist wird.
Nobelpreisgekrönter Physiker Niels Bohr beschrieb, dass diese Elektronen im Atom in einer Schalenstruktur vorliegen. Die Elektronen kreisen auf bestimmten Energieniveaus oder Bahnen um den Kern. Diese Umlaufbahnen haben spezifische Energien und jede Umlaufbahn kann nur eine begrenzte Anzahl von Elektronen aufnehmen.
Chemische Reaktionen entstehen durch Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in zwei Atomen. In Bohrs ModellWenn eine Elektronenbahn noch nicht gefüllt ist, ist es für die Atome einfacher, diese Elektronen auszutauschen oder zu teilen und chemische Reaktionen auszulösen.
Eine Klasse von Elementen, die Edelgase, reagieren kaum mit anderen Elementen. In Edelgasen besetzen die Elektronen vollständig gefüllte Umlaufbahnen, und als Folge davon halten die Atome ihre Elektronen gierig fest, anstatt sie zu teilen und eine chemische Reaktion einzugehen.
In den 1930er Jahren fragten sich Wissenschaftler, ob Protonen und Neutronen ebenso wie Elektronen Umlaufbahnen besetzen könnten. Aber niemand konnte dies schlüssig zeigen. Mehr als ein Jahrzehnt lang war die wissenschaftliche Gemeinschaft nicht in der Lage, den Kern anhand einzelner Protonen und Neutronen zu beschreiben. Wissenschaftler verwendeten ein vereinfachtes Bild, bei dem Protonen und Neutronen als ein einziges System behandelt wurden, wie ein Wassertropfen.
Magische Zahlen
1949 entwickelten Goeppert Mayer und Jensen das sogenannte Schalenmodell des Kerns. Protonen und Neutronen besetzen analog zu Elektronen bestimmte Umlaufbahnen, haben aber auch bestimmte Umlaufbahnen eine Eigenschaft namens Spin– ähnlich einem Kreisel. Goeppert Mayer und Jensen fanden heraus, dass sie durch die Kombination der beiden Eigenschaften in ihren Berechnungen die experimentellen Beobachtungen reproduzieren konnten.
Durch einige Experimente fanden sie heraus, dass Kerne mit bestimmten magischen Neutronen- oder Protonenzahlen ungewöhnlich stabil sind und ihre Nukleonen stärker festhalten, als Forscher bisher erwartet hatten, genau wie Edelgase ihre Elektronen festhalten.
Die magischen Zahlen Den Wissenschaftlern sind 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126 bekannt. Sie sind für Protonen und Neutronen gleich. Wenn ein Kern eine magische Anzahl von Protonen oder Neutronen hat, dann die jeweilige Umlaufbahn ist gefülltund der Kern ist nicht sehr reaktiv, ähnlich wie die Edelgase.
Beispielsweise verfügt das Element Zinn über eine magische Anzahl an Protonen. Zinn hat immer 50 Protonen und das ist es häufigstes Isotop hat 70 Neutronen. Isotope sind Atome desselben Elements, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen haben.
Es gibt neun weitere stabile Isotope von Zinn, die existieren können – es ist das Element mit der größten Anzahl stabiler Isotope. Ein stabiles Isotop wird sich niemals spontan in ein anderes Element umwandeln, was bei radioaktiven Isotopen der Fall ist.
Helium ist mit zwei Protonen und zwei Neutronen der leichteste „doppelt magische“ Kern. Sowohl seine Neutronenzahl als auch seine Protonenzahl sind eine magische Zahl. Die Kräfte, die den Helium-4-Kern zusammenhalten, sind so stark, dass es unmöglich ist, ein weiteres Proton oder Neutron anzubringen. Wenn Sie versuchen würden, ein weiteres Proton oder Neutron hinzuzufügen, würde das resultierende Atom augenblicklich auseinanderfallen.
Andererseits ist der schwerste stabile Kern, den es gibt, Blei-208, auch ein doppelt magischer Kern. Es hat die magische Zahl 82 Protonen und 126 Neutronen.
Beispiele für magische Zahlen und stabile Kerne gibt es überall – aber Wissenschaftler könnten sie ohne die Einführung des Schalenmodells nicht erklären.
Stabile Kerne in der Natur
Die Schalenstruktur in Kernen verrät Forschern, wie Elemente auf der Erde und im Universum verteilt sind.
Eines der am häufigsten vorkommenden Elemente auf unserem Planeten und im menschlichen Körper ist Sauerstoffinsbesondere das Isotop Sauerstoff-16.
Mit acht Protonen und acht Neutronen verfügt Sauerstoff-16 über einen äußerst stabilen Kern. Ein nahegelegener Stern produzierte den Sauerstoff, den wir auf der Erde finden, durch Kernreaktionen in seinem Kern, kurz bevor das Sonnensystem entstand.
Da Sauerstoffkerne doppelt magisch sind, interagierten diese Kerne im Stern nicht sehr stark mit anderen Kernen. So blieb mehr Sauerstoff übrig, der schließlich als wesentlicher Bestandteil für das Leben auf der Erde fungierte.
In ihrem NobelvortragMaria Goeppert Mayer sprach über ihre Arbeit mit Physiker Edward Teller. Die beiden hatten versucht zu beschreiben, wie diese Elemente in Sternen entstanden. In den 1930er Jahren war es für sie unmöglich zu erklären, warum bestimmte Elemente und Isotope in Sternen häufiger vorkommen als andere. Später fand sie heraus, dass die erhöhte Häufigkeit mit Kernen zusammenhängt, die etwas gemeinsam haben: Sie alle hatten eine magische Anzahl an Neutronen.
Mit dem Schalenmodell und der Erklärung magischer Zahlen wurde die Herstellung von Elementen in Sternen möglich und 1957 veröffentlicht.
Wissenschaftler nutzen auch heute noch Ideen aus dem Kernhüllenmodell, um neue Phänomene in der Nuklearwissenschaft zu erklären. Einige Beschleunigeranlagen, wie die Anlage für seltene Isotopenstrahlenwo wir arbeiten, zielen darauf ab, exotischere Kerne zu schaffen, um zu verstehen, wie sich ihre Eigenschaften im Vergleich zu ihren stabilen Gegenstücken ändern.
In der Facility for Rare Isotope Beams erzeugen Wissenschaftler neue Isotope, indem sie stabile Isotope auf etwa die halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigen und sie auf ein Ziel schleudern. Aus den Stücken wählen wir die seltensten aus und untersuchen ihre Eigenschaften.
Die vielleicht tiefgreifendste moderne Entdeckung ist die Tatsache, dass sich die magischen Zahlen in exotischen Kernen wie dem hier geschaffenen Typ ändern. 75 Jahre nach der ursprünglichen Entdeckung ist der Wettlauf um die Entdeckung der nächsten magischen Zahl also immer noch im Gange.
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