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Linkshändige Atomkerne

Ellipsoide mit unterschiedlichen Achsen / Komplizierter Kreisel

Von Rainer Scharf

Viele Moleküle sind asymmetrisch und kommen in einer rechts- und einer linkshändigen Form vor, die spiegelbildlich zueinander sind. Diese Händigkeit oder Chiralität hatte man bei Atomkernen zunächst vergebens gesucht. Obwohl die Form einiger Atomkerne stark von der völlig symmetrischen Kugelgestalt abweicht und eher einer Zigarre ähnelt, unterscheidet sie sich nicht von ihrem Spiegelbild. Diese Kerne sind spiegelsymmetrisch und damit weder rechts- noch linkshändig. Erst wenn man solch einen spiegelsymmetrischen Kern in eine besondere Drehung versetzt, kann Chiralität auftreten. Jetzt haben Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten deutliche Hinweise dafür gefunden, daß es tatsächlich rechts- und linkshändige Atomkerne gibt.

Eine Gruppe von Wissenschaftlern um Krzysztof Starosta von der State University of New York in Stony Brook hat Atomkerne der Elemente Cäsium, Lanthan, Praseodym und Promethium untersucht, die eines gemeinsam hatten: Die Kerne bestanden aus einem kompakten Inneren, um das sich je ein Proton und ein Neutron bewegten ("Physical Review Letters", Bd. 86, S. 971). Das Kerninnere wies die Form eines sogenannten dreiachsigen Ellipsoiden auf, dessen drei zueinander senkrechte Raumachsen unterschiedliche Länge haben. Diese Asymmetrie reichte indes noch nicht aus, den Kern links- oder rechtshändig zu machen. Doch im vergangenen Jahr hatten Stefan Frauendorf und seine Kollegen vom Forschungszentrum Rossendorf bei Dresden berechnet, daß Chiralität auftreten kann, wenn das Proton und das Neutron das Kerninnere auf bestimmten Bahnen umkreisen. In solche Zustände haben Starosta und seine Kollegen die von ihnen untersuchten Atomkerne durch Beschuß mit schweren Ionen gebracht.

Das Kerninnere rotierte danach um die Achse des Ellipsoiden, die die mittlere Länge hatte. Das Proton und das Neutron umrundeten das ellipsoidförmige Kerninnere an seiner dicksten beziehungsweise dünnsten Stelle. Der gesamte Atomkern war damit zu einem Kreisel geworden, der sich nicht mehr um eine seiner drei Ellipsoidachsen drehte, sondern eine kompliziertere, asymmetrische Bewegung vollführte. Tatsächlich unterschied sich deren geometrische Form von ihrem Spiegelbild - allerdings nur, wenn sich das Kerninnere nicht zu schnell oder zu langsam drehte. Die gesuchte Chiralität trat ausschließlich bei mittleren Rotationsgeschwindigkeiten auf.

Um die Chiralität nachzuweisen, haben die Wissenschaftler die Gammastrahlung untersucht, die von den Atomkernen emittiert wurde. Wie ein Atom gibt auch der Atomkern Strahlungsenergie ab, wenn er von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedriger Energie übergeht. Liegt für bestimmte Kernzustände Chiralität vor, so sollten einige Linien im Gammaspektrum des Atomkerns doppelt auftreten, da sie von rechts- oder von linkshändigen Kernen herrühren können, deren Energien sich normalerweise nicht voneinander unterscheiden. Tatsächlich haben die Wissenschaftler bei allen vier untersuchten Kerntypen eine Verdoppelung bestimmter Spektrallinien beobachtet: Die Linien traten paarweise auf und waren im Spektrum geringfügig gegeneinander verschoben. Daß die Linien nicht exakt die gleiche Energie hatten, lag am quantenmechanischen Tunneleffekt. Ein rechtshändiger Kern kann sich in einen linkshändigen umwandeln und umgekehrt. Die Spektrallinien der beiden chiralen Kerne sind im Spektrum um so stärker gegeneinander verschoben, je schneller die Umwandlung erfolgt. Auch in diesem Punkt stimmten die Beobachtungen mit den Vorhersagen der Theoretiker überein, und zwar für alle vier untersuchten Kerntypen.

All dies spricht dafür, daß tatsächlich rechts- und linkshändige Kerne beobachtet wurden. Welchen Einfluß die Chiralität auf die Umwandlung und den Zerfall von Atomkernen hat, muß noch genauer untersucht werden. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.02.2001, Nr. 38 / Seite N1

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