Riesenresonanz

Unter Riesenresonanz versteht man in der Kernphysik eine Schwingungs-Anregung von Atomkernen. Der Name stammt von den relativ großen Wirkungsquerschnitten, die in den sie anregenden Streuexperimenten beobachtet wurden. Die elektrische Dipol-Riesenresonanz (GDR) wurde 1947 von G. C. Baldwin und G. S. Klaiber^[1] bei der Untersuchung der Photodesintegration und später bei (${\displaystyle \gamma }$, n)-Reaktionen an Uran-Kernen entdeckt.^[2]

In einem einfachen makroskopischen Bild, das von Maurice Goldhaber und Edward Teller stammt,^[3] wird die Riesenresonanz als kollektive Schwingung der Protonen gegen die Neutronen beschrieben. 1950 wurde sie von Helmut Steinwedel und J. Hans D. Jensen durch ein Zweiflüssigkeitsmodell (Protonen- und Neutronen-Flüssigkeit) beschrieben.^[4] Die mikroskopische Deutung sieht in Riesenresonanzen eine kohärente Anregung von Einteilchen-Einloch-Übergängen im Schalenmodell.

Riesenresonanzen können z. B. durch Anregung des Kerns mit Photonen,^[5] Elektronen oder Schwerionen entstehen und zerfallen durch Nukleonen-/Kernemission (Photon, Neutron, α-Teilchen, …). Die GDR zeigt sich in den Anregungsenergien schwerer Kerne oberhalb der Ablösungsenergie eines Nukleons bei etwa 8 MeV und variiert mit der dritten Wurzel der Massenzahl A, was im Modell von Jensen und Steinwedel auch vorhergesagt wurde. Bei schweren Kernen mit Massenzahlen über 60 ist die Breite der Resonanz typisch einige MeV; bei leichten Kernen spaltet sich die Resonanz typischerweise in mehrere Peaks auf. Bei deformierten Kernen gibt es typischerweise zwei Peaks, je nach Schwingung längs der Symmetrieachse oder senkrecht dazu.

Man kann die Resonanzen nach Drehimpuls-Eigenzuständen entwickeln und spricht dann von Monopol- (GMR; 1977 entdeckt), Dipol- (GDR), Quadrupol- (GQR; 1972 entdeckt) oder allgemein Multipol-Riesenresonanzen.

Neben elektrischen gibt es in Kernen auch magnetische Dipolresonanzen, siehe Scherenmode. Typischerweise schöpfen die Riesenresonanzen die Summenregeln für die jeweiligen (elektrischen/magnetischen) Multipolübergänge aus.

Der Anteil, den Neutronen und Protonen an der Schwingung haben, drückt sich im Isospin-Charakter aus. Die GDR hat Isovektor-Charakter (Protonen schwingen gegen Neutronen), es gibt auch isoskalare Riesenresonanzen (Protonen und Neutronen schwingen in dieselbe Richtung).

Neben der GDR-Riesenresonanz rückte ab den 1990er Jahren auch ein kleinerer Resonanzpeak in neutronenreichen Kernen, die Pygmy-Resonanz (PDR), in die Aufmerksamkeit der Forschung, der sich deutlich vom „Schwanz“ der Riesenresonanz abhob.

Siehe auch

• Angeregter Zustand

Literatur

• B. L. Berman, F. C. Fultz. In: Reviews of Modern Physics, Band 47, 1975, S. 713 (Übersichtsartikel zur GDR)

Einzelnachweise

1. Baldwin, Klaiber. In: Physical Review, Band 71, 1947, S. 3
2. Im Kernphotoeffekt fanden sich Hinweise schon von Walther Bothe und Wolfgang Gentner. In: Zeitschrift für Physik, Band 71, 1936, S. 236. Die genauere Untersuchung durch Baldwin und Klaiber gelang mittels energiereicher Photonen in der Bremsstrahlung aus einem Betatron.
3. Goldhaber, Teller. In: Physical Review, Band 74, 1948, S. 1048
4. Steinwedel, Jensen. In: Physical Review, Band 79, 1950, S. 1019
5. Unterhalb der Neutronenschwelle (Ablöseenergie für Neutronen) wurde die GDR mit Kern-Resonanzfluoreszenz und mit Bremsstrahlung aus Beschleunigern untersucht