Das 40 Jahre alte Rätsel der Kernspaltung gelöst

Wenn ein übermäßig aufgeblasener Ballon platzt, fliegen seine Teile in entgegengesetzte Richtungen davon und vollführen verschiedene Kunststücke in der Luft. Der Prozess der Kernspaltung, bei dem ein Kern in zwei Teile gespalten wird, begleitet von der Emission mehrerer Neutronen, läuft ähnlich ab. Die dabei abgegebene Energie manifestiert sich nicht nur in Form von kinetischer Energie der entstandenen Fragmente, sondern auch in Form von Rotation und anderen Kernanregungen. Eines der Begleitphänomene ist die Emission von Gammastrahlenquanten, die nicht nur den Überschuss der erzeugten Energie, sondern auch den Drehimpuls aufheben (d.h. die Rotation hemmen).

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In einem spaltenden System ist der Anfangsdrehimpuls praktisch Null und der Mechanismus seiner Bildung ist seit über 40 Jahren ein experimentell unerforschtes Rätsel. Insbesondere war nicht klar, ob sie vor oder nach der Spaltung des Atomkerns auftritt? Eine Reihe von Messungen, die am Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie (IJC) in Orsay, Frankreich, durchgeführt wurden, führten zu einer bahnbrechenden Lösung dieser Frage. Die erzielten Ergebnisse, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurden, sind das Ergebnis der Zusammenarbeit von Physikern aus 37 Forschungszentren (aus 16 Ländern), einschließlich der Fakultät für Physik der Universität Warschau. Wissenschaftler des IJC-Labors,

in dem 2018 mehr als 1.200 Stunden Messungen mit einem kollimierten schnellen Neutronenstrahl am ALTO-System durchgeführt wurden, spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Neutronen treffen auf Targets, die spaltbare Materialien 238U oder 232Th enthalten und induzieren die Kernspaltung. In einer zusätzlichen Messung wurde auch die Spontanspaltung von 252Cf untersucht.Die Gammastrahlung, die die Spaltreaktionen begleitet, wurde von einem System aus etwa 200 Detektoren aufgezeichnet. Es war möglich, Kaskaden von Kernübergängen in etwa 30 Spaltfragmenten zu rekonstruieren. Die Ergebnisse der Analyse der Eigenschaften der emittierten Strahlung zeigten in allen untersuchten Fällen eindeutig eine fehlende Korrelation zwischen dem Drehimpuls der resultierenden Fragmente. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu den meisten bisher verwendeten Spaltungsmodellen die Quellen des Drehimpulses getrennt sind und er nach der Spaltung entstehen muss. Außerdem findet kein Informationstransfer zwischen den entstehenden Fragmenten statt. Die erhaltenen Ergebnisse erlaubten uns, einen Mechanismus vorzuschlagen, der die Erzeugung von Drehimpuls bei der Spaltung beschreibt. Sie geht davon aus, dass bei der Spaltung eines Atomkerns zunächst eine Einschnürung und dann eine Aufspaltung in zwei unabhängige Systeme von sehr länglicher Form entsteht. Die neuen Systeme neigen zu einer Kugelform, und die mit der Verformung verbundene Energie wird in eine Anregung der entstehenden Atomkerne umgesetzt. Der vorgeschlagene Spaltungsverlauf erklärt die statistische Natur der Anregungen, unabhängig für jedes Fragment. Die von den Physikern erzielten Ergebnisse sind auf die Modellierung von Kernreaktoren anwendbar, in denen die von Spaltfragmenten emittierte Gammastrahlung und deren Vielzahl wichtige Komponenten des Wärmetransports sind. Sie sind auch wichtig für die Planung von Experimenten zur Herstellung neuer superschwerer Elemente und exotischer Nuklide mit hohem Neutronenüberschuss.