Die Atomkernuhr

Deutsche Physiker finden nuklearen Anregungszustand im Element Thorium für eine zehnfach genauere Zeitmessung
Atomkernuhr: Schematischer Aufbau zur Bestimmung des angeregten Kernzustands in Thoriumkernen
Atomkernuhr: Schematischer Aufbau zur Bestimmung des angeregten Kernzustands in Thoriumkernen
© LMU
München/Mainz - Die besten Atomuhren, die heute in den Normungslaboren weltweit ticken, gehen in 20 Milliarden Jahren nur eine einzige Sekunde falsch. Noch zehnfach genauere Uhren haben nun deutsche Physiker im Blick. Sie setzen dabei nicht mehr auf Schwingungen von Elektronen, die um einen Atomkern kreisen, sondern auf einen Anregungszustand im Atomkern selbst. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, konnten sie jetzt den einzigen dafür geeigneten und seit 40 Jahren gesuchten Kernzustand im radioaktiven Metall Thorium experimentell nachweisen. Damit legten sie die Grundlage, um in Zukunft eine exakte Atomkernuhr entwickeln zu können.

„Eine solche Uhr hätte außerdem den Vorteil, dass Atomkerne etwa 100.000mal kleiner sind als ganze Atome und daher wesentlich unempfindlicher auf Störeinflüsse von außen reagieren.“, sagt Lars von der Wense von der Ludwig Maximilians Universität München (LMU). Aus bisher nur indirekten Messungen wussten die Wissenschaftler, das der Thoriumkern den niedrigsten Anregungszustand - Isomer genannt - aller der über 3.300 bekannten Atomkerne aufweist. Zusammen mit Kollegen aus Mainz und Darmstadt nahm nun von der Wense das Isotop Thorium-229 mit einem aufwendigen Experiment ins Visier. Der erste direkte Nachweis gelang über die Analyse der Zerfallsprodukte von Uran-233.

In ihrem Experiment zerfiel Uran-233 mit einer Halbwertszeit von 160.000 Jahren in einen Heliumkern, auch Alpha-Teilchen genannt, und das gewünschte angeregte Isomer Thorium-229m. Diese Thoriumkerne konnten die Forscher in einem Ionenstrahl isolieren. Weitere Messungen am Ionenstrahl mit einem Mikrokanalplatten-Detektor offenbarten den Übergang des angeregten Thorium-Isomers in einen Thorium-Atomkern im Grundzustand. „So konnten wir direkt nachweisen, dass der angeregte Zustand tatsächlich existiert“, sagt LMU-Forscher Peter Thirolf. Die Halbwertszeit des Thorium-Isomers war mit mehr als 60 Sekunden ausgesprochen lang. Weitere Experimente könnten die Lebensdauer, die zwischen einigen Minuten und wenigen Stunden erwartet wird, noch genauer zeigen.

Eine lange Lebensdauer des Thorium-Isomers wäre eine wichtige Voraussetzung, um den angeregten Kernzustand für eine Zeitmessung nutzen zu können. Zudem müsste die beim Übergang des Kernzustands freigesetzte Energie noch genauer bestimmt werden. Dann ließe sich ein spezieller Laser entwickeln, der genau diese Energie liefert und sich für die optische Kontrolle einer zukünftigen Thorium-Atomkernuhr eignet. „Im Rahmen des europäischen Forschungsverbundes nuClock werden wir dieses Ziel weiter verfolgen“, sagt Thirolf.

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