Authors:	Zakova, Monika
Title:	Nuclear charge radii of light isotopes based on frequency comb measurements
Online publication date:	3-Mar-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	Optical frequency comb technology has been used in this work for the first time to investigate the nuclear structure of light radioactive isotopes. Therefore, three laser systems were stabilized with different techniques to accurately known optical frequencies and used in two specialized experiments. Absolute transition frequency measurements of lithium and beryllium isotopes were performed with accuracy on the order of 10^(−10). Such a high accuracy is required for the light elements since the nuclear volume effect has only a 10^(−9) contribution to the total transition frequency. For beryllium, the isotope shift was determined with an accuracy that is sufficient to extract information about the proton distribution inside the nucleus. A Doppler-free two-photon spectroscopy on the stable lithium isotopes (6,7)^Li was performed in order to determine the absolute frequency of the 2S → 3S transition. The achieved relative accuracy of 2×10^(−10) is improved by one order of magnitude compared to previous measurements. The results provide an opportunity to determine the nuclear charge radius of the stable and short-lived isotopes in a pure optical way but this requires an improvement of the theoretical calculations by two orders of magnitude. The second experiment presented here was performed at ISOLDE/CERN, where the absolute transition frequencies of the D1 and D2 lines in beryllium ions for the isotopes (7,9,10,11)^Be were measured with an accuracy of about 1 MHz. Therefore, an advanced collinear laser spectroscopy technique involving two counter-propagating frequency-stabilized laser beams with a known absolute frequency was developed. The extracted isotope shifts were combined with recent accurate mass shift calculations and the root-mean square nuclear charge radii of (7,10)^Be and the one-neutron halo nucleus 11^Be were determined. Obtained charge radii are decreasing from 7^Be to 10^Be and increasing again for 11^Be. While the monotone decrease can be explained by a nucleon clustering inside the nucleus, the pronounced increase between 10^Be and 11^Be can be interpreted as a combination of two contributions: the center-of-mass motion of the 10^Be core and a change of intrinsic structure of the core. To disentangle these two contributions, the results from nuclear reaction measurements were used and indicate that the center-of-mass motion is the dominant effect. Additionally, the splitting isotope shift, i.e. the difference in the isotope shifts between the D1 and D2 fine structure transitions, was determined. This shows a good consistency with the theoretical calculations and provides a valuable check of the beryllium experiment. In dieser Arbeit wurde die optische Frequenzkamm-Technologie erstmals für Kernstrukturuntersuchungen von leichten radioaktiven Isotopen genutzt. Dafür wurden ingesamt drei Lasersysteme mit verschiedenen Methoden auf genau bekannte Frequenzen stabilisiert und diese dann bei zwei verschiedenen Experimenten eingesetzt. Messungen der absoluten Übergangsfrequenz in Lithium- und Berylliumisotopen wurden mit relative Genauigkeiten in der Größenordnung von 10^(−10) durchgeführt. Eine solche hohe Genauigkeit ist bei den leichten Elementen notwendig, weil der Kernvolumeneffekt nur einen Anteil von 10^(−9) zur gesamten Übergangsfrequenz beiträgt. Für die Berylliumisotope wurde daraus die Isotopieverschiebung mit einer Genauigkeit bestimmt, die ausreicht, um den Kernladungsradius\r\naller gemessenen Isotope zu extrahieren. An den stabilen Li-Isotopen (6,7)^Li wurde eine Doppler-freie Zweiphotonen-Spektroskopie durchgeführt und die absolute Frequenz des 2S → 3S Übergangs bestimmt. Die erreichte relative Genauigkeit von 2×10^(−10) übertriftt die früherer Messungen um etwa eine Größenordnung. Dies stellt die Grundlage für eine rein optische Bestimmung der absoluten Kernladungsradien der stabilen und kurzlebigen Isotope dar. Allerdings gilt es dazu von theoretischer Seite noch die Berechnungen um etwa zwei Größeordnung zu verbessern. Das zweite im Rahmen dieses Arbeit durchgeführte Experiment fand bei ISOLDE/ CERN statt. Eine eigens entwickelte Methode der kollinearen Spektroskopie bei der zwei gegeneinander propagierende Laserstrahlen genau bekannter Frequenz verwendet werden, erlaubte es die Übergangsfrequenzen der D1- und D2-Linien in Beryllium-Ionen der Isotope (7,9,10,11)^Be mit deiner Genauigkeit von etwa 1 MHz zu messen. Durch die Kombination der daraus bestimmten Isotopieverschiebung mit kürzlich durchgeführten, sehr genauen Berechnungen des spezifischen Masseneffektes der untersuchten Übergänge wurden die Kernladungsradien von (7,10)^Be und des Ein-Neutronen-Halokerns 11^Be bestimmt. Die Ladungsradien nehmen von 7^Be bis 10^Be monoton ab, um danach bei 11^Be wieder anzusteigen. Während die Abnahme auf die kompakter werdende Clusterstruktur der Berylliumkerne zurückgeführt wird, kann die markante Zunahme zwischen 10^Be und 11^Be durch eine Kombination aus einer Schwerpunktsbewegung des 10^Be Rumpfkerns von 11^Be und einer Änderung der inneren Struktur des erklärt werden. Um die Beiträge der beiden Effekte zu quantifizieren, wurden experimentale Resultate aus Kernreaktionsexperimenten herangezogen. Es zeigt sich, dass die Schwerpunktsbewegung der dominante Beitrag ist. Darüberhinaus wurde der Unterschied in der Isotopieverschiebung zwischen den D1 und D2 Feinstruktur-Übergängen ermittelt. Das Resultat ist in guter Übereinstimmung mit den theoretischen Berechnungen und stellt einen unabhängigen Test der Berechnungen und des Experiments dar.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1637
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-21971
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	195 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen