Neue Erkenntnisse über den Mechanismus der Kernspaltung

"Nature“-Publikation unter Beteiligung der TU Darmstadt

25.02.2021

Ein Team aus dem Institut für Kernphysik der TU Darmstadt hat im Rahmen einer internationalen Kollaboration zur Klärung der Frage beigetragen, wie der Drehimpuls („Spin“) der beiden bei der Spaltung eines Atomkerns entstehenden Fragmente aufgebaut wird. Das nun in „Nature“ veröffentlichte zentrale Forschungsergebnis: Die Fragmente rotieren erst nach der Trennung.

Rotierende Fragmente nach Kernspaltung (künstlerische Darstellung)

In einer Reihe von Experimenten am ALTO-Teilchenbeschleuniger im französischen Orsay konnten die Forschenden nachweisen, dass die bei der Kernspaltung entstehenden Fragmente ihren „Spin“ nach der Spaltung erhalten und nicht vorher, wie bisher in den meisten Theorien angenommen wird. Ermöglicht wurde dieses Ergebnis durch die „nu-ball“-Kollaboration, in der eine internationale Gruppe von Kernphysikerinnen und -physikern aus 37 Instituten und 16 Ländern, darunter auch Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Instituts für Kernphysik der TU Darmstadt, ein breites Spektrum von Atomkernen und deren Struktur untersucht. Die Leitung der Kollaboration hat das Irène-Joliot-Curie-Labor in Orsay inne.

Offene Fragen seit den 1930er Jahren

Die Kernspaltung, bei der sich ein schwerer Kern in zwei Teile spaltet und Energie freisetzt, wurde bereits Ende der 1930er Jahre von den Chemikern Otto Hahn und Fritz Straßmann entdeckt und von der Physikerin und dem Physiker Lise Meitner und Otto Frisch korrekt interpretiert. Offene Fragen zu diesem Prozess bestehen jedoch bis heute. Die neue Studie hat untersucht, warum die bei der Spaltung eines schweren Atomkerns entstehenden Bruchstücke in Drehung versetzt werden, obwohl sich der ursprüngliche Kern nicht gedreht hat. Dazu gibt es konkurrierende Theorien. Die meisten gehen jedoch davon aus, dass der Drehimpuls der Spaltfragmente erzeugt wird, bevor sich der Kern spaltet, was zu einer klaren Korrelation der Drehimpulse der beiden Partnerfragmente führen würde.

Mehr als eintausend Stunden Experimentierzeit

Um den Mechanismus aufzudecken, der den Fragmenten Drehimpuls gibt, führte das Team an der ALTO-Anlage Kernspaltungsreaktionen herbei und vermaß die Gammastrahlung, die dabei emittiert wurde, mit „nu-ball“, bestehend aus 184 Detektoren. Den Forschenden standen mehr als 1.200 Stunden Experimentierzeit an dem Teilchenbeschleuniger zur Verfügung, um Proben des Uranisotops 238U und des Thoriumisotops 232Th mit einem gepulsten Neutronenstrahl zu beschießen. Wissenschaftler der TU Darmstadt waren in die Vorbereitung involviert, nahmen an den Experimenten teil, analysierten einen Teil der genommenen Daten und trugen zur wissenschaftlichen Diskussion der Ergebnisse bei.

„Meine Gruppe an der TU Darmstadt brachte ihre große Erfahrung mit schnellen Szintillationsdetektoren in Kombination mit Germaniumdetektoren zur Untersuchung von Spaltfragmenten ein“, berichtet Professor Thorsten Kröll. „Dieses Experiment ermöglichte erstmals auch einen Einblick in die Dynamik des Spaltprozessses, der auf einer der direkten Beobachtung unzugänglichen Zeitskala von 10-21 Sekunden abläuft.“

Die umfassenden Daten zeigten, dass der Spin tatsächlich erst nach der Kernspaltung erzeugt wird. Das belegte die Analyse der gemessenen Gammaquanten. Die Experimente zeigten auch, dass der durchschnittliche Drehimpuls von der Masse des Fragments abhängig ist und diese Abhängigkeit die Form eines Sägezahns hat. Die beiden Fragmente, die sich in unterschiedlichen Massenverhältnissen aufteilen können, weisen jedoch durchschnittliche Spins auf, die nicht von der Masse ihres Partnerfragments abzuhängen scheinen.

„nu-ball“-Spektrometer

Der Hauptautor der Studie, Dr. Jonathan Wilson vom IJC-Labor in Orsay, erklärt: „Was mich wirklich überraschte, war das Fehlen einer signifikanten Abhängigkeit des in einem Fragment beobachteten durchschnittlichen Spins von dem im Partnerfragment geforderten minimalen Spin. Die meisten Theorien, die annehmen, dass der Drehimpuls/Spin vor der Spaltung erzeugt wird, hätten eine starke Korrelation vorhergesagt. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Spin der Fragmente nach der Aufspaltung erzeugt wird. Man kann es sich vorstellen, als wären die Kernfragmente mit einem gedehnten Gummiband verbunden, das irgendwann reißt. Dies erzeugt eine Drehkraft oder ein Drehmoment.“

Expertise aus der TU Darmstadt

Diese Experimente wurden möglich auf der Grundlage von Erfahrungen aus früheren Kampagnen mit dem Ziel der prompten Spektroskopie von Spaltfragmenten mit Spektrometern bestehend aus vielen Detektoren, zu denen Wissenschaftler der TU Darmstadt bereits ihre Expertise in Detektortechnologie und Datenanalyse beigetragen haben.

Neue Horizonte für die Physik-Forschung

Die neuen Erkenntnisse über die Rolle des Drehimpulses bei der Kernspaltung sind wichtig für das grundlegende Verständnis und die theoretische Beschreibung des Spaltungsprozesses. Sie beeinflussen aber auch andere Forschungsgebiete wie die Untersuchung der Struktur neutronenreicher Isotope und der Synthese und Stabilität superschwerer Elemente. Darüber hinaus eröffnet die Studie neue Möglichkeiten für praktische Anwendungsbereiche, wie etwa das Problem der Erhitzung von Kernreaktoren durch Gammastrahlung aus der Spaltung. Diese Gammastrahlung, Energie und Anzahl der emittierten Gammaquanten pro Spaltung, ist ein wichtiger Parameter für die Modellierung von Kernreaktoren.

Dieser Typ von Experimenten öffnet auch neue Horizonte für Experimente mit Neutronen aus lasergetriebenen Neutronenquellen, wie sie derzeit an der TU Darmstadt im Rahmen des LOEWE-Schwerpunkts „Nukleare Photonik“ entwickelt werden.

Publikation

Die Studie ist unter dem Titel „Angular momentum generation in nuclear fission“ in „Nature“ erschienen. DOI: 10.1038/s41586-021-03304-w

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