Halokern

Halokerne sind Atomkerne, bei denen einzelne Nukleonen (Protonen und Neutronen) einen relativ großen Abstand zum Rest des Kerns haben. Je nachdem ob Protonen oder Neutronen weit vom Rest des Kerns entfernt sind, werden Halokerne in Protonenhalos und Neutronenhalos unterteilt. Dabei überwiegt unter den bisher entdeckten Halokernen die Anzahl der Neutronenhalos gegenüber den Protonenhalos. Halokerne sind instabile Kerne nahe der Drip Line (Abbruchkante) für den Zerfall durch Protonen- bzw. Neutronenemission.

Halokerne wurden 1986 von Isaho Tanihata und Kollegen am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) an einer der ersten Beschleunigeranlagen für radioaktive Kerne bei der Streuung von Kernen aneinander als Kerne mit anomal großer Ausdehnung entdeckt. Die Interpretation als Halo-Phänomen kam 1987 von Björn Jonson und P. Gregers Hansen. Sie wurden z. B. in der ISOLDE-Anlage des CERN und am GSI Darmstadt genauer untersucht. Vorhergesagt wurden sie 1972 von Arkadi Beinussowitsch Migdal.

Der Name erinnert an gleichnamige ringförmige Lichteffekte (Halo).

Eigenschaften

Die starke Kernkraft, welche die Nukleonen im Kern konzentriert, hat eine Reichweite etwa 2 bis 3 Femtometern (fm). Dagegen beträgt z. B. der mittlere Abstand des Halo-Neutrons des 1-Neutron Halo-Kerns ¹¹Be, der 2009 von Wilfried Nörtershäuser (Mainz) und Kollegen mit Laserspektroskopie genauer untersucht wurde, 7 fm bei einem Radius des Rumpfkerns von 2,5 fm.

Die Halonukleonen besitzen aufgrund der großen Entfernung zum Rest des Kerns eine deutlich niedrigere Bindungsenergie als normal gebundene Nukleonen, die im Lithium-Bereich eine Bindungsenergie von etwa 5 MeV aufweisen.

Nach den Gesetzen der klassischen Physik gäbe es deshalb keine Bindung zwischen dem Kernrumpf und den Halonukleonen. Die trotzdem vorhandene Bindungsenergie lässt sich mit der Unschärfe der Halonukleonen erklären. Die Aufenthaltswahrscheinlichkeit ist für Halonukleonen nämlich räumlich weit ausgedehnt, sodass sich die Nukleonen mit einer ausreichenden Wahrscheinlichkeit nahe genug am Kernrumpf befinden, um die starke Wechselwirkung zu erfahren. Beim genauer untersuchten 2 Neutron-Halokern Lithium 11 dehnt sich die Wellenfunktion fast bis zum Radius des schweren Bleikerns (Blei 208 mit 7 fm Radius) aus, und die Separationsenergie eines der äußeren Neutronen beträgt nur noch rund 0,3 MeV.

Zwei-Neutron-Halokerne werden auch Borromäisch genannt (nach Borromäischen Ringen, von denen keine zwei ohne den Dritten miteinander verbunden sind). Allgemein bezeichnet man als Borromäische Kerne gebundene Dreikörpersysteme, bei denen die Zweikörper-Subsysteme ungebunden sind. Obwohl nicht alle Halokerne borromäisch sind (die 1-Neutron-Halos und 1-Proton-Halos z. B. sind es nicht), werden die Borromäischen Ringe gern als Symbol für Halokerne genommen. Zwei-Neutronen-Halokerne können als vom Kern stabilisierte Dineutronen aufgefasst werden (oder als stark verdünnte Kernmaterie-Wolke um den Kern). An ihnen kann die Neutron-Neutron-Kernkraft und das quantenmechanische Dreikörperproblem studiert werden.

Helium 8 kann wahrscheinlich am besten als 4-Neutronen-Halo um den Alphateilchen-Kern beschrieben werden, wobei sein Radius nicht so groß ist; hier bilden die Halo-Neutronen nahe am Kern eher eine Art Neutronenhaut (Tanihata). Auch Bor 19 und Beryllium 14 werden als 4 Neutron-Halokerne diskutiert. Auffällig ist, dass Bor 19 und Helium 8 die einzigen bekannten Kerne sind, bei der die Entfernung von 1 und 3 Neutronen ungebundene Zustände ergibt. Beryllium 14 hat zumindest ein 2-Neutron-Halo. Marques und Kollegen vom GANIL-Beschleuniger führten 2002 Streuexperimente an Beryllium 14 durch, bei der ihrer Meinung nach die äußeren Neutronen als Tetraneutron separierten, was aber kritisiert wurde.

Auch bei schwereren Elementen wie Kohlenstoff 19 fanden sich gute Kandidaten für Halokerne, in diesem Fall ein 1-Neutron-Halo. Seine Neutronen-Separationsenergie ist ähnlich niedrig wie bei Beryllium 11, und genauere Untersuchungen am GSI Darmstadt stützten seine Einordnung als Halokern.

In einigen Darstellungen wird auch das Deuterium als einfachster Halo-Kern beschrieben.

Bekannte Halokerne

Folgende Halokerne bzw. gute Kandidaten dafür sind bekannt (nach Riisager 2012):

Kern	Halotyp	Halbwertszeit
^6He	2 Neutronen	0,801 s
^8He	4 Neutronen	0,119 s
^11Li	2 Neutronen	8,75 ms
^11Be	1 Neutron	13,8 s
^14Be	2 oder 4 Neutronen	4,35 ms
^8B	1 Proton	0,77 s
^17B	2 Neutronen	5,08 ms
^19B	4 Neutronen	2,92 ms
^15C	1 Neutron	2,45 s
^19C	1 Neutron	49 ms
^22C	2 Neutronen	6,1 ms
^17F	1 Proton	64,5 s
^17Ne	2 Protonen	0,109 s

Bei Fluor 17 handelt es sich um einen angeregten Zustand (I = 1/2 +).

Riisager (2012) diskutiert auch Neon 31 als 1-Neutron-Halo-Kandidaten und Magnesium 35.

Literatur

• B. Jonson, A. Richter: Halokerne: Professor Peter Brix zu seinem 80. Geburtstag gewidmet. In: Physikalische Blätter. Band 54, Nr. 12, 1998, S. 1121–1125.
• P. G. Hansen, A. S. Jensen, B. Jonson: Nuclear Halos, Annual Review of Nuclear and Particle Science, Band 45, 1995, S. 591–634
• B. Jonson: Light dripline nuclei, Physics Reports, Band 389, 2004, S. 1–59
• Bethge, Walter, Wiedemann: Kernphysik: Eine Einführung. 3. Auflage. Springer, 2007, ISBN 3-540-74566-1.  (das einführende Lehrbuch behandelt S. 114 kurz Halokerne)
• Sam Austin, George F. Bertsch: Halo Nuclei, Scientific American, Juni 1995
• K. Riisager, Halos and related structures, Arxiv 2012, Nobel Symposium 152 "Physics With Radioactive Beams", Physica Scripta, Band 152, 2013, 014001
• K. Riisager, Nuclear Halo States, Reviews of Modern Physics, Band 66, 1995, 1105–1116

Weblinks

• C. Geppert, W. Nörtershäuser u. a.: Ein Aufbau zur Messung der Ladungsradien von Beryllium-Halo-Kernen (PDF; 34 kB)
• Atomkern mit Heiligenschein: Wissenschaftler vermessen erstmals Ein-Neutron-Halo mit Lasern, Universität Mainz, vom 16. Februar 2009, zu Nörtershäuser u. a.
• An den Grenzen der Kernkraft: Heidelberger und Mainzer Physiker haben Atomkerne mit einem "Heiligenschein" vermessen, Pressemitteilung der Max-Planck-Gesellschaft, 19. Februar 2009
• Atomkern mit Satellit, Science Ticker, 16. Februar 2009, zu Nörtershäuser u. a.
• Vorsicht instabil!, Bild der Wissenschaft 30. Juni 2006, zu T. Nakamura u. a.

Einzelnachweise

1. I. Tanihata u. a., Measurements of Interaction Cross Sections and Nuclear Radii in the Light p-Shell Region, Phys. Rev. Lett. 55, 1985, S. 2676, Abstract, I. Tanihata u. a. Measurements of interaction cross sections and radii of He isotopes, Phys. Lett. B., 160, 1985, S. 380–384
2. Jonson, Hansen, The neutron halo of extremely neutron-rich nuclei, Europhys. Lett., 4, 1987, S. 409
3. Migdal Two interacting particles in the potential hole, Sov. J. Nucl. Phys., 16, 1972, 238. Jonson und Hansen verwiesen in ihrem Aufsatz von 1987 auf Migdal
4. W. Nörtershäuser u. a., Nuclear Charge Radii of 7,9,10 Be and the One-Neutron Halo Nucleus 11 Be, Physical Review Letters, 102:6, 13. Februar 2009
5. scienceticker.info: (Memento vom 2. Februar 2017 im Internet Archive)
6. J. S. Vaagen u. a. Borromean Halo Nuclei, Physica Scripta, T 88, 2000, 209-213, pdf
7. Der Begriff boromäische Halokerne stammt von Mikhail Zhukov u. a. Bound state properties of Borromean Halo nuclei: 6 He and 11 Li, Physics Reports, 231, 1993, 151. Zuschreibung nach Vaagen, Ershov, Zhukov: Lessons from two paradigmatic developments: Rutherfords nuclear atom and Halo nuclei, J. of Physics Conf. Series 381, 2012, 012049 pdf
8. Tanihata, D. Hirata, T. Kobayashi, S. Shimoura, K. Sugimoto, H. Toki, Revelation of thick neutron skins in nuclei, Phys. Lett. B, 289, 1992, 261–266
9. In der Diskussion im Übersichtsartikel von Riisager (2012) wird erwähnt, das zunehmend Hinweise auf eine 4-Neutron-Halo-Interpretation vorlagen
10. Darlington: Tetraneutrons
11. Ist Kohlenstoff-19 ein Halokern? GSI Nachrichten 2/99 (PDF; 82 kB)
12. K. Riisager, Halos and related structures, Arxiv 2012, Nobel Symposium 152 "Physics With Radioactive Beams", Physica Scripta, Band 152, 2013, 014001
13. Jefferson Lab, Periodic Table mit Halbwertszeiten von Isotopen