Spins, moments and radii of cd isotopes

The complex nature of the nucleon-nucleon interaction and the wide range of systems covered by the roughly 3000 known nuclides leads to a multitude of effects observed in nuclear structure. Among the most prominent ones is the occurence of shell closures at so-called ”magic numbers”, which are explained by the nuclear shell model. Although the shell model already is on duty for several decades, it is still constantly extended and improved. For this process of extension, fine adjustment and verification, it is important to have experimental data of nuclear properties, especially at crucial points like in the vicinity of shell closures. This is the motivation for the work performed in this thesis: the measurement and analysis of nuclear ground state properties of the isotopic chain of 100−130Cd by collinear laser spectroscopy.rnrnThe experiment was conducted at ISOLDE/CERN using the collinear laser spectroscopy apparatus COLLAPS. This experiment is the continuation of a run on neutral atomic cadmium from A = 106 to A = 126 and extends the measured isotopes to even more exotic species. The required gain in sensitivity is mainly achieved by using a radiofrequency cooler and buncher for background reduction and by using the strong 5s 2S1/2 → 5p 2P3/2 transition in singly ionized Cd. The latter requires a continuous wave laser system with a wavelength of 214.6 nm, which has been developed during this thesis. Fourth harmonic generation of an infrared titanium sapphire laser is achieved by two subsequent cavity-enhanced second harmonic generations, leading to the production of deep-UV laser light up to about 100 mW.rnrnThe acquired data of the Z = 48 Cd isotopes, having one proton pair less than the Z = 50 shell closure at tin, covers the isotopes from N = 52 up to N = 82 and therefore almost the complete region between the neutron shell closures N = 50 and N = 82. The isotope shifts and the hyperfine structures of these isotopes have been recorded and the magnetic dipole moments, the electric quadrupole moments, spins and changes in mean square charge radii are extracted. The obtained data reveal among other features an extremely linear behaviour of the quadrupole moments of the I = 11/2− isomeric states and a parabolic development in differences in mean square nuclear charge radii between ground and isomeric state. The development of charge radii between the shell closures is smooth, exposes a regular odd-even staggering and can be described and interpreted in the model of Zamick and Thalmi.

Die komplexe Natur der Nukleon-Nukleon Wechselwirkung und die große Bandbreite zusammengesetzter Systeme, die sich in den etwa 3000 bekannten Nukliden wiederspiegelt, führen zu einer Vielzahl beobachteter Kernstruktureffekte. Einer der markantesten unter ihnen ist das Auftauchen von Schalenabschlüssen bei den sogenannten ”magischen Zahlen”, welche durch das Kernschalenmodell erklärt werden können. Obwohl dieses Modell bereits seit mehreren Jahrzehnten in Verwendug ist, wird es immer noch fortlaufend erweitert und verbessert. Elementare Grundlage für diesen Prozess der Erweiterung, Feinjustage und Verifikation ist der Vergleich mit experimentellen Daten zu Kernstrukturgrößen. Dies gilt insbesondere für kritische und zentrale Stellen, wie sie beispielsweise die Umgebungen der magischen Zahlen darstellen. Diese Tatsache ist die Motivation für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen: die Vermessung und Analyse von Grundzustandseigenschaften der Isotopenreihe 100−130 Cd mittels kollinearer Laserspektroskopie.rnrnDas Experiment wurde an ISOLDE/CERN mit der Apparatur zur kollinearen Laserspektroskopie COLLAPS durchgeführt. Die Messungen stellen die Fortführung einer Strahlzeit an neutralen Atomen der Cadmiumisotope zwischen A = 106 und A = 126 dar und erweitern die damals gemessenen Nuklide um noch exotischere Kerne. Die hierfür erforderliche Steigerung der Nachweissensitivität wird im Wesentlichen durch die Verwendung eines Radiofrequenz Cooler and Bunchers zur Unterdrückung des Untergrundrauschens und die Spektroskopie des starken 5s 2S1/2 → 5p 2P3/2 Übergangs im einfach ionisierten Cadmium erreicht. Letzteres erfordert ein Dauerstrich-Lasersystem mit einer Wellenlänge von 214.6 nm, welches im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde. Hierbei wird die vierte Harmonische eines Titan-Saphir-Lasers durch zwei aufeinanderfolgende Verdopplungen in Uberhöhungsresonatoren erreicht, wodurch bis zu 100 mW Laserlicht im tiefen UV produziert werden können.rnrnDie gewonnenen Daten von Z = 48 Cd-Isotopen, welche ein Protonenpaar weniger als der Kernschalenabschluss bei Z = 50 besitzen, erstrecken sich von N = 52 bis hin zu N = 82. Damit decken sie fast die gesamte Region zwischen den beiden Schalenabschlüssen N = 50 und N = 82 ab. Die Isotopieverschiebungen und dir Hyperfeinstrukturen dieser Isotope wurden gemessen und daraus die magnetischen Dipolmomente, die elektrischen Quadurpolmomente, Spins und Anderungen der mittleren quadratischen Kernladungsradien extrahiert. Diese Daten zeigen unter anderem ein extrem lineares Verhalten der Quadrupolmomente im isomeren Zustand mit Spin I = 11/2− sowie einen parabolischen Verlauf in der Differenz der mittleren quadratischen Ladungsradien zwischen Grundzustand und Isomer. Der Verlauf der Ladungsradien zwischen den beiden Schalenabschlüssen ist kontinuierlich, weist ein reguläres odd-even staggering auf und kann sehr gut im Rahmen des Modells von Zamick und Thalmi beschrieben und interpretiert werden.