Prof. Dr. Klaus Blaum
Direktor der Abteilung Gespeicherte und Gekühlte Ionen
Max-Planck-Institut für Kernphysik, HeidelbergTelefon: +49 6221 516-851
Fax: +49 6221 516-852
E-Mail: sekretariat.blaum@mpi-hd.mpg.de
Quantenphysik . Teilchenphysik
Auf der Kreisbahn verrät das Atom seine Masse
Die überlebenden Ionen kommen nun in dem Teil an, dem Shiptrap das trap verdankt. Das englische Wort steht für Falle, denn passenderweise besteht die eigentliche Waage aus einer sogenannten Penning-Falle. Diese ist nach dem niederländischen Physiker Frans Michel Penning benannt. Sie steckt in einem sehr starken supraleitenden Magneten. Dessen Magnetfeld und das elektrische Feld der Falle bilden zusammen einen Käfig für das elektrisch geladene Ion. In ihm tigert das Teilchen auf einer Art Kreisbahn herum, die nochmals in sich verschraubt ist.
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„Auf der Rosettenbahn läuft ein Ion zum Beispiel eine Million Mal pro Sekunde um“, erklärt Blaum. Diese Zirkulationsfrequenz enthält schon die genaue Information über das Gewicht oder, physikalisch präziser gesagt, die Masse des Ions. Leider lässt sie sich nicht einfach ablesen, dazu bedarf es vielmehr eines Tricks, den Blaum mit einem Bild erklärt: Man könne sich vorstellen, dass das Ion auf seiner Kreisbahn wie auf einer Schaukel hin und her schwingt.
Angestoßen wird das Teilchen von einem elektromagnetischen Hochfrequenzsignal. Je genauer dessen verstellbare Frequenz der Eigenfrequenz des Ions in der Falle entspricht, desto schneller schaukelt sich das Ion auf. Schließlich wird es aus der Falle geschossen und landet in einem Detektor. Wie lange das Ion dorthin fliegt, verrät den Physikern die Eigenfrequenz und damit die Masse des Ions. Daraus können die Forscher schließlich präzise die Masse des Atomkerns berechnen.
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Auf diese Weise gelang es Blaum, Block und ihren Partnern kürzlich, die Masse des Atomkerns von Nobelium, dem Element 102, sehr genau zu bestimmen. „Unsere Veröffentlichung im Fachblatt Nature hat in der Presse einiges Aufsehen erregt“, erzählt Klaus Blaum stolz. „Ja, in Spanien hat sogar El País den Bericht eines spanischen Gruppenleiters von uns auf der Titelseite gebracht“, erzählt Michael Block.
Das gegenwärtige Messverfahren hat den Nachteil, dass jede Messung das wertvolle Ion vernichtet. Schon vom Nobelium landeten aber durchschnittlich ohnehin nur wenige Ionen pro Stunde in der Falle. Die noch schwereren Kerne entstehen selbst in Spitzenbeschleunigern wie bei der GSI zum Teil nur einmal pro Tag oder pro Woche. Die Physiker brauchen aber etwa 100 Ionen pro Massenmessung. Das ist ein Problem, denn 100 Wochen andauernde Messkampagnen wären viel zu teuer an der wissenschaftlich sehr gefragten Maschine.
Deshalb arbeitet Blaum mit seinem Team nun an einer besonders feinen Nachweistechnik, die das Ion nicht zerstört und eine Massenmessung an einem einzelnen Ion erlaubt. Der Trick: Das Ion zieht mit seiner positiven elektrischen Ladung negativ geladene Elektronen in der Fallenwand an. Diese zirkulieren als winziger Spiegelstrom im Gleichtakt mit dem Ion. Den Strom können die Forscher messen, allerdings nur mit extrem empfindlichen Geräten. Diese neue Technik ermöglicht es nun, das einzelne Ion extrem genau zu wiegen.
