Kollineare Laserspektroskopie an radioaktiven Praseodymionen und Cadmiumatomen

Die Analyse optischer Spektren liefert einen kernmodellunabhängigen Zugang zur Bestimmung der Kernspins, Ladungsradien und elektromagnetischen Momente von Atomkernen im Grundzustand und von langlebigen Isomeren. Eine der vielseitigsten Methoden zur optischen Spektroskopie an kurzlebigen Isotopen ist die kollineare Laserspektroskopie. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum einen die TRIGA-LASER Strahlstrecke am Institut für Kernchemie der Universität Mainz durch die Implementierung einer neuen offline Oberflächenionenquelle für hohe Verdampfungstemperaturen und eines Strahlanalysesystems weiterentwickelt. Zum anderen wurde kollineare Laserspektroskopie an kurzlebigen Praseodym- und Cadmiumisotopen an ISOLDE/CERN durchgeführt. Die neue Ionenquelle ermöglichte dabei den Test der kollinearen Laserspektroskopie an Praseodymionen am TRIGA-LASER Experiment. Die Spektroskopie der Prasdeodymionen motivierte sich aus der Beobachtung einer zeitlichen Modulation der EC-Zerfallsrate von wasserstoffähnlichem 140Pr58+. Für die Erklärung dieser sogenannten GSI Oszillationen wird unter anderem das magnetische Moment des Kerns benötigt, welches bislang noch nicht experimentell bestimmt wurde. Zudem wurde für wasserstoffähnliches 140Pr58+ überraschenderweise eine kleinere EC-Zerfallskonstante gemessen als für heliumähnliches 140Pr57+. Die Erklärung dieses Phänomens setzt ein positives magnetisches Moment voraus. Bei der Spektroskopie am COLLAPS Experiment wurden erstmals die magnetischen Momente von 135Pr, 136Pr und 137Pr vermessen. Aufgrund zu geringer Produktionsraten war die Spektroskopie des gewünschten Isotops 140Pr jedoch nicht erfolgreich. Die Untersuchung der Cadmiumisotope ist kernphysikalisch motiviert. In der Zinnregion erstrecken sich die Isotope über die beiden magischen Zahlen N=50 und N=82 bei gleichzeitiger Nähe des Z=50 Schalenabschlusses. Hier können verschiedene Kernmodelle getestet werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der Stärke des N=82 Schalenabschlusses widersprechen. Diese Arbeit berichtet über erste Ergebnisse der Spektroskopie an Cadmiumatomen, die sich über die Isotope 106−124,126Cd sowie die zugehörigen langlebigen I=11/2− Isomere erstreckt. Die zuvor experimentell bekannten oder aus dem erweiterten Schalenmodell abgeleiteten Kernspins konnten für alle Isotope bis auf 119Cd bestätigt werden. Der Kernspin von 119Cd wurde eindeutig zu I=1/2 bestimmt. Die elektrischen Quadrupolmomente der Isomere zeigen ein bemerkenswert lineares Verhalten in Abhängigkeit von der Neutronenzahl und dies über die eigentliche Kapazität der 1h11/2 Unterschale hinaus. Die Änderungen der mittleren quadratischen Ladungsradien zeigen den auch an Indium- und Zinnisotopen beobachteten stetigen Verlauf. Der lineare Anteil passt sehr gut zu den Berechnung des Tröpfchenmodells in der Parametrisierung nach Berchidevsky und Tondeur. Die Differenzen der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grund- und isomeren Zustand der ungeraden Cadmiumisotope zeigen einen interessanten parabolischen Verlauf mit einem Minimum zwischen A=117 und A=119.

Collinear laser spectroscopy is a tool for the model independent determination of spins, charge radii and electromagnetic moments of nuclei in ground and long-lived isomeric states. In the context of this thesis a new offline ion source for high evaporating temperatures and an ion beam analysis system were implemented at the TRIGA-LASER Experiment at the Institute for Nuclear Chemistry at the University of Mainz. The main part of the thesis deals with the determination of the properties of radioactive praseodymium and cadmium isotopes by collinear laser spectroscopy at ISOLDE/CERN. The necessary test measurements for the spectroscopy of praseodymium ions have been conducted with the aforementioned offline ion source at the TRIGA-LASER experiment. The spectroscopy of the praseodymium ions was motivated by the observation of a modulation of the electron capture decay rates of hydrogen-like 140Pr58+. The nuclear magnetic moment of the nucleus is, among others, required for the explanation of the so-called GSI Oscillations and has not been studied experimentally before. Additionally, the determined electron capture decay constant of hydrogen-like 140Pr58+ is lower than the one of helium-like 140Pr57+. The explanation of this phenomenon requires a positive magnetic moment. During the experiment at the COLLAPS apparatus the magnetic moments of the neutron-deficient isotopes 135Pr, 136Pr and 137Pr could be determined for the first time. Unfortunately, due to a too low production yield the desired isotope 140Pr could not be studied.The systematic study of cadmium isotopes was motivated by nuclear physics in the tin region. With Z=48 two protons are missing for the shell closure and the isotopes extend from the magic neutron number N=50 to the magic neutron number N=82. The extracted nuclear properties allow tests of different nuclear models in this region. In this thesis the obtained results of the spectroscopy of the cadmium isotopes 106-124,126Cd and their long-lived I=11/2 isomers are presented. The experimentally known nuclear spins as well as the spins assigned by the shell model systematic could be confirmed except for 119Cd. The nuclear spin of this isotope could be clearly determined to be I=1/2. The electric quadrupole moments of the isomers increase linearly with respect to the neutron number – and this well beyond the capacity of the 1h11/2 subshell. The change of the mean square nuclear charge radii shows the same behavior as the indium and tin isotopic chain. The linear part fits perfectly to the calculations of the droplet model with the parameterization of Berdichevsky and Tondeur. The change of the mean square charge radii between ground and isomeric state of the odd isotopes shows an interesting parabolic trend.