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Ein stabiles Nuklid weniger Das schwerste bislang als stabil ein- gestufte Isotop 209 Bi ist radioaktiv und instabil bezüglich Alpha-Zerfall Seit der Entdeckung der Radioakti- vität durch Becquerel (1896) unter- scheidet man stabile und instabile Isotope. Auf der bekannten Karls- ruher Nuklidkarte sind die stabilen Isotope durch schwarze Quadrate dargestellt, die instabilen je nach Zerfallsart durch rote und blaue (Beta-Zerfall), gelbe (Alpha-Zer- fall) oder grüne Quadrate (sponta- ne Kernspaltung). Als schwerstes stabiles Nuklid in dieser Darstel- lung war bisher das einzige natür- lich vorkommende Isotop des Ele- ments Wismut, 209 Bi, ausgewiesen. Zwar wurde schon länger vermutet, dass 209 Bi instabil sein könnte, da aufgrund der bekannten Werte für den Massenüberschuss von 3,137 MeV der Kern 209 Bi unter Emission eines a-Teilchens in 205 Tl übergehen sollte. Der experimentelle Nachweis dafür blieb jedoch bisher aus, zum einen deswegen, weil wegen der ge- ringen Alpha-Energie und der des- wegen verschwindend kleinen Tun- nelwahrscheinlichkeit durch die Barriere aus Zentrifugal-, Coulomb- und Kernpotential eine extrem lan- ge Lebensdauer erwartet wird, und zum anderen, weil die Reichweite der a-Teilchen von weniger als 10 mm deren Nachweis mit konventio- nellen Detektoren wie z. B. Halb- leiterzählern geradezu unmöglich macht. Durch Zufall gelang es nun einer französischen Arbeitsgruppe unter Leitung von Pierre de Marcillac vom Institut d’Astrophysique Spa- tiale der Universität Paris Sud, die vom Isotop 209 Bi ausgesandte Al- pha-Strahlung eindeutig zu regis- trieren und aus der Häufigkeit der auftretenden Ereignisse die Halb- wertszeit zu bestimmen [1]. Sie ver- wendeten dazu ein so genanntes Tieftemperatur-Kalorimeter, wie es seit langem in Experimenten einge- setzt wird, die nach Dunkler Mate- rie im Kosmos suchen, speziell nach Weakly Interacting Massive Particles, kurz WIMPS. Zu diesen Experimenten gehören neben dem französisch-spanischen ROSEBUD- Experiment (Rare Objects Search with Bolometers Underground) in einem Tunnel unter den Pyrenäen, an dem Pierre de Marcillac beteiligt ist, auch das deutsch-italienisch-bri- tische CRESST-Experiment (Cryo- genic Rare Event Search with Su- perconducting Thermometers) im Gran-Sasso-Labor [2]. In beiden Fällen bestehen die Kalorimeter aus einem szintillierenden Kristall, der es ermöglicht, sowohl die bei einem Teilchenzerfall deponierte Wärme als auch das dabei erzeugte Licht zu detektieren. Das besondere an dem ROSEBUD-Detektor ist nun, dass als Szintillator ein BGO-Kristall (Bi 4 Ge 3 O 12 ) verwendet wird, der durch seinen Anteil an dem nun- mehr als radioaktiv ausgewiesenen Isotop 209 Bi zugleich als Probe fun- giert (Abb. 1). Der Detektor wurde bei einer Temperatur von 20 mK betrieben, um niederenergetische a-Teilchen und Restkerne möglichst effektiv von hochenergetischen und hochionisierenden Photonen und Teilchen aus der kosmischen Strah- lung diskriminieren zu können. Während bisher von den WIMPS noch keine Spur zu entdecken war, gibt es jetzt das zitierte überra- schende kernphysikalische Ergeb- nis. Die hohe Empfindlichkeit des Detektors ermöglichte die Messung des Alpha-Zerfalls von 209 Bi sogar ebenerdig im Labor in Orsay. Indem sowohl die vom a-Teil- chen und dem Restkern deponierte Wärme als auch das dabei erzeugte Licht detektiert wird, erhalten die Autoren eindeutig die beim radio- aktiven Zerfall freigesetzte Energie. Aus der vollständig nachgewiese- nen gesamten kinetischen Energie der freiwerdenden niederenergeti- schen Alpha-Strahlung (E a = 3,077 MeV) und der Rückstoß- energie des Tochterkerns Tl (E Tl = 60 keV) lässt sich ein beeindrucken- des Spektrum rekonstruieren (Abb. 2). In einer Messzeit von nur fünf Tagen gelang es, 128 Zerfälle zu beobachten. Dieser experimen- telle Befund wurde von derselben Gruppe durch Einsatz eines zwei- ten BGO-Kalorimeters mit unter- schiedlichem 209 Bi-Gehalt verifi- ziert. Aus der Intensität unterhalb der Linie im Alpha-Spektrum bei einer Energie von E = (3,137 ± 1 ± 2) keV – wobei der erste Fehler der statisti- sche und der zweite der systemati- sche ist – ergibt sich die Halbwerts- zeit von 209 Bi zu T 1/2 = (1,9 ± 0,2) × 10 19 Jahren, das ist etwa eine Milliarde Mal das Alter des Univer- sums! Damit ist nicht mehr 209 Bi, sondern der doppelt magische Kern 208 Pb der schwerste stabile, in der Natur vorkommende Kern. Sollte es wieder eine Neuauflage der Karlsruher Nuklidkarte geben, so müsste das bisher tiefschwarze 209 Bi-Quadrat als Zeichen dafür, dass 209 Bi nach irdischen Maßstä- ben als quasi-stabil zu betrachten ist, schwarz-gelb dargestellt wer- den. Harald Genz und Achim Richter [1] P. de Marcillac, N. Coron, G. Dam- bier, J. Leblanc und J.-P. Moalic, Nature 422, 876 (2003) [2] J. Jochum und F. von Feilitzsch, Phys. Blätter, März 2000, S. 65) Physik Journal 2 (2003) Nr. 6 16 Im Brennpunkt Dr. Harald Genz und Prof. Dr. Achim Richter, Institut für Kernphysik, Techni- sche Universität Darmstadt, Schloss- gartenstraße 9, 64289 Darmstadt Abb. 1: Herzstück des Experiments ist ein runder BGO-Kristall (Durchmesser 2 cm), der an feinen Drähten aufgehängt ist (rechts). Die beim Alpha-Zerfall eines 209 Bi- Isotops deponierte Energie erwärmt den Kristall, dessen Temperaturänderung gemessen wird. Das Szintillationslicht fällt auf eine nur 100 mm dünne Germa- nium-Scheibe (links), deren Temperatur- erhöhung ebenfalls gemessen wird. Abb. 2: Die Spannung am Szintillationsdetektor als Funktion der a-Teil- chen-Energie wird dominiert von der Linie einer 241 Am-Quelle, die zur Kalibrierung verwendet wird und leicht mit den Isoto- pen 233 U, 220 Rn und 212 Po kontaminiert war. Diese Nuklide sind alle a-instabil. Das Inset links oben zeigt eine nahezu unter- grundfreie Linie bei 3,137 MeV, die auf Grund der Eichung der beim Alpha-Zerfall von 209 Bi freiwerdenden Energie zugeordnet werden kann.

ments Wismut, Ein stabiles Nuklid weniger - pro-physik.de · Fällen bestehen die Kalorimeter aus einem szintillierenden Kristall, der es ermöglicht, sowohl die bei einem Teilchenzerfall

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�Ein stabiles Nuklid wenigerDas schwerste bislang als stabil ein-gestufte Isotop 209Bi ist radioaktivund instabil bezüglich Alpha-ZerfallSeit der Entdeckung der Radioakti-vität durch Becquerel (1896) unter-scheidet man stabile und instabileIsotope. Auf der bekannten Karls-ruher Nuklidkarte sind die stabilenIsotope durch schwarze Quadratedargestellt, die instabilen je nachZerfallsart durch rote und blaue(Beta-Zerfall), gelbe (Alpha-Zer-fall) oder grüne Quadrate (sponta-ne Kernspaltung). Als schwerstesstabiles Nuklid in dieser Darstel-lung war bisher das einzige natür-lich vorkommende Isotop des Ele-

ments Wismut, 209Bi, ausgewiesen.Zwar wurde schon länger vermutet,dass 209Bi instabil sein könnte, daaufgrund der bekannten Werte fürden Massenüberschuss von 3,137MeV der Kern 209Bi unter Emissioneines a-Teilchens in 205Tl übergehensollte. Der experimentelle Nachweisdafür blieb jedoch bisher aus, zumeinen deswegen, weil wegen der ge-ringen Alpha-Energie und der des-wegen verschwindend kleinen Tun-nelwahrscheinlichkeit durch dieBarriere aus Zentrifugal-, Coulomb-und Kernpotential eine extrem lan-ge Lebensdauer erwartet wird, undzum anderen, weil die Reichweiteder a-Teilchen von weniger als 10mm deren Nachweis mit konventio-nellen Detektoren wie z. B. Halb-leiterzählern geradezu unmöglichmacht.

Durch Zufall gelang es nun einerfranzösischen Arbeitsgruppe unterLeitung von Pierre de Marcillacvom Institut d’Astrophysique Spa-tiale der Universität Paris Sud, dievom Isotop 209Bi ausgesandte Al-pha-Strahlung eindeutig zu regis-trieren und aus der Häufigkeit derauftretenden Ereignisse die Halb-wertszeit zu bestimmen [1]. Sie ver-wendeten dazu ein so genanntesTieftemperatur-Kalorimeter, wie esseit langem in Experimenten einge-setzt wird, die nach Dunkler Mate-rie im Kosmos suchen, speziellnach Weakly Interacting MassiveParticles, kurz WIMPS. Zu diesenExperimenten gehören neben demfranzösisch-spanischen ROSEBUD-Experiment (Rare Objects Searchwith Bolometers Underground) ineinem Tunnel unter den Pyrenäen,an dem Pierre de Marcillac beteiligtist, auch das deutsch-italienisch-bri-tische CRESST-Experiment (Cryo-genic Rare Event Search with Su-perconducting Thermometers) imGran-Sasso-Labor [2]. In beidenFällen bestehen die Kalorimeter auseinem szintillierenden Kristall, deres ermöglicht, sowohl die bei einemTeilchenzerfall deponierte Wärmeals auch das dabei erzeugte Licht zudetektieren. Das besondere an demROSEBUD-Detektor ist nun, dassals Szintillator ein BGO-Kristall(Bi4Ge3O12) verwendet wird, derdurch seinen Anteil an dem nun-mehr als radioaktiv ausgewiesenenIsotop 209Bi zugleich als Probe fun-giert (Abb. 1). Der Detektor wurdebei einer Temperatur von 20 mKbetrieben, um niederenergetische a-Teilchen und Restkerne möglichsteffektiv von hochenergetischen und

hochionisierenden Photonen undTeilchen aus der kosmischen Strah-lung diskriminieren zu können.Während bisher von den WIMPSnoch keine Spur zu entdecken war,gibt es jetzt das zitierte überra-schende kernphysikalische Ergeb-nis. Die hohe Empfindlichkeit desDetektors ermöglichte die Messungdes Alpha-Zerfalls von 209Bi sogarebenerdig im Labor in Orsay.

Indem sowohl die vom a-Teil-chen und dem Restkern deponierteWärme als auch das dabei erzeugteLicht detektiert wird, erhalten dieAutoren eindeutig die beim radio-aktiven Zerfall freigesetzte Energie.Aus der vollständig nachgewiese-nen gesamten kinetischen Energieder freiwerdenden niederenergeti-schen Alpha-Strahlung (Ea =3,077 MeV) und der Rückstoß-energie des Tochterkerns Tl (ETl =60 keV) lässt sich ein beeindrucken-des Spektrum rekonstruieren(Abb. 2). In einer Messzeit von nurfünf Tagen gelang es, 128 Zerfällezu beobachten. Dieser experimen-telle Befund wurde von derselbenGruppe durch Einsatz eines zwei-ten BGO-Kalorimeters mit unter-schiedlichem 209Bi-Gehalt verifi-ziert.

Aus der Intensität unterhalb derLinie im Alpha-Spektrum bei einerEnergie von E = (3,137 ± 1 ± 2) keV– wobei der erste Fehler der statisti-sche und der zweite der systemati-sche ist – ergibt sich die Halbwerts-zeit von 209Bi zu T1/2 = (1,9 ± 0,2)× 1019 Jahren, das ist etwa eineMilliarde Mal das Alter des Univer-sums! Damit ist nicht mehr 209Bi,sondern der doppelt magische Kern208Pb der schwerste stabile, in derNatur vorkommende Kern. Solltees wieder eine Neuauflage derKarlsruher Nuklidkarte geben, somüsste das bisher tiefschwarze209Bi-Quadrat als Zeichen dafür,dass 209Bi nach irdischen Maßstä-ben als quasi-stabil zu betrachtenist, schwarz-gelb dargestellt wer-den.

Harald Genz und Achim

Richter

[1] P. de Marcillac, N. Coron, G. Dam-bier, J. Leblanc und J.-P. Moalic,Nature 422, 876 (2003)

[2] J. Jochum und F. von Feilitzsch,Phys. Blätter, März 2000, S. 65)

Physik Journal2 (2003) Nr. 616

Im Brennpunkt

Dr. Harald Genz undProf. Dr. AchimRichter, Institut fürKernphysik, Techni-sche UniversitätDarmstadt, Schloss-gartenstraße 9,64289 Darmstadt

Abb. 1:Herzstück des Experiments ist ein runderBGO-Kristall (Durchmesser 2 cm), der anfeinen Drähten aufgehängt ist (rechts).Die beim Alpha-Zerfall eines 209Bi-Isotops deponierte Energie erwärmt denKristall, dessen Temperaturänderunggemessen wird. Das Szintillationslichtfällt auf eine nur 100 mmm dünne Germa-nium-Scheibe (links), deren Temperatur-erhöhung ebenfalls gemessen wird.

Abb. 2:Die Spannung am Szintillationsdetektor als Funktion der aa-Teil-chen-Energie wird dominiert von der Linie einer 241Am-Quelle,die zur Kalibrierung verwendet wird und leicht mit den Isoto-pen 233U, 220Rn und 212Po kontaminiert war. Diese Nuklide sindalle aa-instabil. Das Inset links oben zeigt eine nahezu unter-grundfreie Linie bei 3,137 MeV, die auf Grund der Eichung derbeim Alpha-Zerfall von 209Bi freiwerdenden Energie zugeordnetwerden kann.