Atomkerne: Bruchstücke drehen sich erst nach der Spaltung

Eine Reihe von Experimenten am ALTO-Teilchen­beschleuniger im französischen Orsay hat gezeigt, dass die bei der Kern­spaltung entstehenden Fragmente ihren Spin erst nach der Spaltung erhalten und nicht vorher, wie bisher in den meisten Theorien angenommen. Ermöglicht wurde dieses Ergebnis durch die „nu-ball“-Kolla­bo­ration, in der eine inter­nationale Gruppe von Kern­physikern ein breites Spektrum von Atomen und deren Struktur untersucht. Mit ihren Experi­menten haben die Wissen­schaftler unter­sucht, warum sich die bei der Spaltung eines schweren Atomkerns entstehenden Bruch­stücke drehen, obwohl sich der ursprüng­liche Kern nicht gedreht hat. Dazu gibt es konkur­rierende Theorien. Die meisten gehen jedoch davon aus, dass der Spin der Spalt­frag­mente erzeugt wird, bevor sich der Kern spaltet, was zu einer klaren Korre­la­tion der Spins der beiden Partner­fragmente führen würde.

Um den Mechanismus aufzudecken, der den Fragment­spin erzeugt, führte das Team in der ALTO-Anlage Kern­spaltungs­reaktionen herbei und maß die Gamma­strahlung, die dabei emittiert wurde. Die Forscher buchten von Februar bis Juni 2018 mehr als 1200 Stunden Strahlzeit in dem Teilchen­beschleuniger, um Proben des Uran­isotops ²³⁸U und des Thorium­isotops ²³²Th mit einem gepulsten Neutronen­strahl zu beschießen.

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

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

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 durch Gamma­strahlen in Kern­reaktoren. Die bei der Kern­spaltung emittierte Gamma­strahlung und speziell die Gamma­multi­plizität ist ein wichtiger Para­meter für die Berechnung der Erwärmung in Kern­reaktoren. Das Forschungs­team konnte die Gamma­multi­plizität direkt messen, was in Zukunft genauere Berech­nungen der Erwärmung in Kern­reaktoren ermöglichen wird.

U. Köln / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. N. Wilson et al.: Angular momentum generation in nuclear fission´, Nature 590, 566 (2021); DOI: 10.1038/s41586-021-03304-w
• ALTO – Accélerateur Linéaire et Tandem à Orsay, Laboratoire de Physique des 2 infinis Irène Joliot-Curie, Orsay, Frankreich
• Institut für Kernphysik, Universität zu Köln