HINWEIS: Die Vorlesung wird in englischer Sprache gehalten.

Erste Vorlesung am Mi., den 14.10.2026.

Vorlesungszeit: Mi. 11:15 - 12:45

Vorlesungsort: INF 227 / SR 3.404

Übungszeit: Mi. 12:45 - 13:30

Übungsort: INF 227 / SR 3.404

Übungseinteilung: heiCO-Info | heiCO LV-Anmeldung | PhÜ

Informationen zur Vorlesung

Veranstaltungstyp: Vorlesung im Studiengang Master of Science (Physics) / MVSpec: Advanced Lecture on Special Topic (Atomic, Molecular and Optical Physics)

Studienfach bzw. Studiengänge: Master of Science (Physics)

Kontaktstunden: 3/Woche

Veranstaltungen: Vorlesung: Precision measurements of atomic and nuclear properties (2 SWS), Übung zur Vorlesung mit Hausarbeiten (1 SWS)

Kurze Beschreibung:
Dieser Kurs führt in die Prinzipien und Anwendungen der Laserspektroskopie und Massenspektrometrie zur Untersuchung radioaktiver Kerne und exotischer Systeme ein. Ausgehend von den atom- und kernphysikalischen Grundlagen, die für das Verständnis von Bindungsenergien, Hyperfeinstruktur und Isotopieverschiebungen erforderlich sind, wird der Zusammenhang zwischen gemessenen Spektren und Eigenschaften des Grundzustands des Kerns – wie Massen, Spin, magnetische Dipolmomente, elektrische Quadrupolmomente und Ladungsradien – erarbeitet.
Anschließend behandelt der Kurs den Nachweis neutraler und geladener Teilchen sowie die Erzeugung und Präparation radioaktiver Strahlen, einschließlich der ISOL- und IGISOL-Methoden, Ionenquellen, Massentrennung, Strahlkühlung, -bunching und -reinigung. Es werden Verfahren der Laserspektroskopie und Massenspektrometrie vorgestellt, darunter In-Source-Laserspektroskopie, kollineare Laserspektroskopie, kollineare resonante Ionisationsspektroskopie, Reionisierungstechniken und radioaktive Nachweismethoden sowie Massenspektrometrie mittels Penningfallen und Speicherringen.
Der letzte Teil des Kurses konzentriert sich auf die Interpretation von Kernmomenten und Ladungsradien im Hinblick auf Schalenentwicklung, Deformation, Formkoexistenz und Änderungen magischer Zahlen fernab der Stabilität. Dabei werden ausgewählte Fallbeispiele diskutiert: leichte Kerne, der Calcium-Bereich, Kerne im Bereich von Z/N = 50 sowie schwere Kerne um Z = 82 und N = 126. Zudem werden Anwendungen von Präzisionsmassenmessungen in der Kernstrukturforschung, der Neutrinophysik sowie bei Tests fundamentaler Wechselwirkungen und deren Symmetrien erörtert.

Notwendige/nützliche Vorkenntnisse, Zielgruppe: Diese Vorlesung richtet sich an Bachelor- und Master-Studenten.

Nützliche Literatur: Bei Bedarf stellen wir gerne Literatur zu den Vorlesungsthemen zur Verfügung.

Übungen oder Prüfungen: Übungen unter Einschluss von Hausarbeiten

Scheinkriterien: mindestens 50% der Übungspunkte und aktive Teilnahme an den Übungen

ECTS-Punkte: auf den Schein werden 4 ECTS-Punkte vergeben

Bemerkungen: Vorlesungsunterlagen werden online zur Verfügung gestellt. Über dieses Gebiet werden Master- und Doktorarbeiten vergeben.

Die Vorlesungsunterlagen werden online zur Verfügung gestellt:
PhÜ Webseite der Vorlesung

Einführung: Begrüßung und Hintergrundinformationen

1. Grundlagen der Massenspektrometrie sowie der atomaren und nuklearen Bindungsenergien

1.1 Definition von Massenunsicherheit und Auflösungsvermögen
1.2 Atomare und nukleare Bindungsenergien, Tröpfchenmodell
1.3 Ein- und Zwei-Neutronen-Separationsenergien

2. Grundlagen der Laserspektroskopie und Eigenschaften von Kerngrundzuständen

2.1 Atomare Energieniveaus und Drehimpulskopplung
2.2 Optische Übergänge und Auswahlregeln
2.3 Spektrale Linienformen: natürliche Linienbreite, Doppler-Verbreiterung und Leistungsverbreiterung
2.4 Hyperfeinstruktur
2.5 Isotopieverschiebungen: Massenverschiebung und Feldverschiebung
2.6 Elektromagnetische Momente und Kernladungsradien
2.7 Bestimmung des Kernspins aus Hyperfeinstrukturspektren
2.8 Grundzustände, isomerische Zustände und zustandsselektive Spektroskopie
2.9 Von gemessenen Spektren zu nuklearen Observablen: Anpassung (Fitting), Unsicherheiten und systematische Effekte

3. Nachweis neutraler und geladener Teilchen

3.1 Fluoreszenzschirm und Fotoplatte
3.2 Faraday-Detektor
3.3 Mikrokanalplatten-Detektor
3.4 Sekundärelektronenvervielfacher/Photomultiplier und Channeltron
3.5 Zerstörungsfreie Nachweisverfahren

4. Erzeugung und Präparation radioaktiver Strahlen

4.1 Mechanismen zur Erzeugung radioaktiver Strahlen: ISOL- und IGISOL-Methoden
4.2 Ionenquellen, Laserionisation und Massentrennung
4.3 Strahlenreinigung, -kühlung und -bunching: RFQ-Kühler und -Buncher

5. Massenspektrometrische Verfahren in Ionenfallen und Speicherringen

5.1 (Mehrfachreflexions-)Flugzeitmassenspektrometrie
5.2 Penningfallen-Massenspektrometrie
5.3 Speicherring-Massenspektrometrie

6. Laserspektroskopische Verfahren für radioaktive Kerne

6.1 In-Source-Laserspektroskopiey
6.2 Kollineare Laserspektroskopie mit optischer Detektion
6.3 Kollineare resonante Ionisationsspektroskopie
6.4 Molekulare Laserspektroskopie

7. Präzisionsmassenmessungen an den Bausteinen der Materie und im Massenbereich leichter Ionen

7.1 Massenmessungen an Elektronen, Protonen und Neutronen
7.2 Massen leichter Ionen für die Neutrinophysik
7.3 Massenmessungen an Kernhalos

8. Laserspektroskopie im Bereich kleiner Massen

8.1 Spezifische Herausforderungen bei leichten Kernen
8.2 Kleine Isotopieverschiebungen und Erfordernis von Hochpräzision
8.3 Halokerne und ausgedehnte Materieverteilungen
8.4 Ladungsradien leichter exotischer Kerne
8.5 Laserspektroskopie mit kontinuierlichen Strahlen
8.6 Die ROC-Technik und Reionisierungsmethoden

9. Erkenntnisse aus elektromagnetischen Momenten und Ladungsradien

9.1 Das Schalenmodell des Atomkerns
9.2 Magische Zahlen und Schalenentwicklung fernab der Stabilität
9.3 Kerndeformation und Formkoexistenz
9.4 Vergleich mit Kernmodellen: Schalenmodell, Mittelfeldtheorie, Dichtefunktionaltheorie, kollektive Modelle und Ab-initio-Rechnungen

10. Fallstudien zu verschiedenen Bereichen der Nuklidkarte

10.1 Leichte Kerne und Halo-Systeme
10.2 Der Bereich um Z/N = 20
10.3 Die Calcium-Region: Schalenentwicklung bei N = 20, 28, 32 und 34
10.4 Der Bereich um Z/N = 50
10.5 Neutronenarme und neutronenreiche Kerne nahe abgeschlossener Schalen
10.6 Der Bereich um Z = 82 und N = 126
10.7 Schwere und superschwere Systeme
10.8 Formkoexistenz bei neutronenarmen Blei-, Quecksilber- und Polonium-Isotopen

11. Präzisionsmassenmessungen zum Test fundamentaler Symmetrien

11.1 CPT-Test mit Protonen und Antiprotonen
11.2 Tests der Quantenelektrodynamik (gebundener Zustände)
11.3 Massenmessungen zur Suche nach einer fünften Kraft
11.4 Suche nach der Insel der Stabilität

Es gibt kein Lehrbuch, das alle Themen der Vorlesung abdeckt. In der Vorlesung werden Bücher, Artikel, Originalpublikationen und Übersichtsartikel zitiert. Bei Bedarf stellen wir Ihnen die Literatur gerne zur Verfügung.

Übungszeit: Mi. 12:45 - 13:30

Übungsort: INF 227 / SR 3.404

Übungseinteilung: heiCO-Info | heiCO LV-Anmeldung | PhÜ

Ausgabe: mittwochs nach der Vorlesung, erster Termin: 21. Oktober 2026

Besprechung: in der Übung in der folgenden Woche. Jeder Student sollte vorbereitet sein, eine Übung vorzurechnen.

Webseite: Die Übungsblätter werden online im pdf-Format zur Verfügung gestellt.
PhÜ Webseite der Vorlesung

Scheinkriterien: mindestens 50% der Übungspunkte und aktive Teilnahme an den Übungen

ECTS-Punkte: auf den Schein werden 4 ECTS-Punkte vergeben

Hier finden Sie ein paar ausgewählte Links zu Experimenten, die sich mit den in der Vorlesung behandelten Gebieten befassen. Die Liste ist auf keinen Fall vollständig und stellt nur eine kleine Auswahl dar.

Messungen an instabilen Kernen

• COLLAPS
• ISOLDE
• ISOLTRAP
• SHIPTRAP
• IGISOL  | JYFLTRAP
• LEBIT

Messungen an stabilen Kernen

• proton/antiproton mass, … (G. Gabrielse et al.)
• 3H/3He, 4He, proton/electron, … (R.S. Van Dyck et al.)
• light stable nuclei, Rb, Cs … (D. Pritchard et al.)
• SMILETRAP (highly charged ions) 

Zukunftsanlagen

• FAIR
• MATS
• HITRAP
• TITAN
• LASPEC