Atomic Mass Evaluation

Aufgabe und Bedeutung

Die Atomic Mass Evaluation (AME; deutsch etwa Einschätzung/Bewertung der Atommassen) liefert seit den 1970er Jahren regelmäßig einen konsistenten, umfassenden Satz eingeschätzter Atommassen aller bekannten Nuklide. Sie steht unter der Schirmherrschaft der C2-Kommission der Internationalen Union für Reine und Angewandte Physik (IUPAP), die seit 1931 für Symbole, Einheiten, Nomenklatur, Atommassen und fundamentale Konstanten zuständig ist.

Durchgeführt wird die Arbeit vom Atomic Mass Data Center (AMDC). Es war bis 2013 in Orsay bei Paris angesiedelt und wird seit 2013 am Institute of Modern Physics der Chinese Academy of Sciences in Lanzhou fortgeführt. Das AMDC sammelt weltweit Messwerte, bewertet ihre Qualität, berechnet zuverlässige Werte und veröffentlicht diese. Atommassen werden direkt mit Massenspektrometern gemessen oder aus Energiemessungen radioaktiver Zerfälle und Kernreaktionen abgeleitet. Alle verfügbaren experimentellen Daten werden in einer Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate verarbeitet.

Mit Atommasse ist die Masse eines neutralen, ungebundenen Atoms im nuklearen und elektronischen Grundzustand gemeint. Die AME erfüllt für Atommassen und verwandte Größen eine ähnliche Aufgabe wie CODATA für grundlegende physikalische Konstanten. Atommassen sind wichtig, weil sie unter anderem Massendichte und Atomanzahldichte eines mit Materie gefüllten Raumbereichs verbinden. Sie bilden außerdem die Grundlage für sekundäre Massentabellen, Nuklidkarten und Rechenhilfen, beispielsweise zur Berechnung von Q-Werten.

Für ²⁸Si verringerte sich die relative Standardunsicherheit der Atommasse zwischen 1933 und 2016 laut Trendlinie um fast eine Größenordnung pro Jahrzehnt. Dieses Nuklid ist für das Avogadroprojekt bedeutsam, das das Kilogramm als Masse einer bestimmten Anzahl von ²⁸Si-Atomen neu definieren soll.

Inhalt der Massentabellen

AME-Veröffentlichungen erschienen meist in Abständen von etwa zehn Jahren; auf AME1993, AME2003 und AME2012 folgte AME2016 in kürzerem Abstand. Die AME2016 schätzt Massendaten von 3436 Nukliden ein. Die Haupttabelle führt für jedes Nuklid N (Neutronenzahl), Z (Protonenzahl), A (Nukleonenzahl mit A = N + Z), Elementsymbol und gegebenenfalls die Herkunft sekundärer Werte auf. Sie enthält Massenexzess, Bindungsenergie pro Nukleon, Betazerfallsenergie Q(β⁻) = (m(A,Z) - m(A,Z+1))*c² und die Atommasse. Mit Ausnahme der Atommasse in µu sind diese Größen in keV angegeben. Die Daten stehen in mass16.txt bereit; mass16round.txt enthält gerundete Werte.

Die Tabellen für Kernreaktions- und Separationsenergien enthalten unter anderem S(n) = (-m(A,Z) + m(A-1,Z) + mₙ)*c², S(p) = (-m(A,Z) + m(A-1,Z-1) + m(¹H))c², S(2n) = (-m(A,Z) + m(A-2,Z) + 2mₙ)c² und S(2p) = (-m(A,Z) + m(A-2,Z-2) + 2m(¹H))*c². Separationsenergien beschreiben die Bindungsenergie des letzten beziehungsweise der letzten zwei Neutronen oder Protonen im Kern. Mit umgekehrtem Vorzeichen entsprechen S(n) und S(2n) den Q-Werten der Reaktionen (γ,n) und (γ,2n).

Weitere tabellierte Q-Werte sind Q(α) = (m(A,Z) - m(A-4,Z-2) - m(⁴He))*c², Q(2β⁻) = (m(A,Z) - m(A,Z+2))*c² und Q(4β⁻) = (m(A,Z) - m(A,Z+4))c². Sie betreffen Alpha-Zerfall sowie einfachen, doppelten oder vierfachen Beta-Minus-Zerfall. Für induzierte Reaktionen werden Q(d,α), Q(p,α) und Q(n,α) angegeben. Q(εp) bezeichnet Elektroneneinfang mit anschließender Protonenemission, Q(β⁻n) eine prompte oder verzögerte Neutronenemission nach β⁻-Zerfall. Dabei ist m(A,Z) die Masse eines Nuklids mit A Nukleonen und Z Protonen; mₙ ist die Neutronenmasse und m(¹H), m(²H), m(⁴He) sind die Massen dieser Atome. Ein „“ bedeutet, dass ein Wert aus den Eingabedaten nicht berechenbar ist; „#“ statt eines Dezimalpunkts bedeutet, dass Wert und Standardunsicherheit aus systematischen Trends abgeschätzt wurden.

Standardunsicherheiten und Genauigkeit

AME-Werte sind eingeschätzte Werte: Sie beruhen entweder auf Messungen oder auf der Abschätzung eines systematischen Trends. Für dieselbe Nuklidmasse liegen meist mehrere Messungen aus Massenspektroskopie oder Kernreaktionen vor. Das dadurch entstehende Gleichungssystem ist überbestimmt und wird mit allen bis zu einem Stichtag weltweit publizierten relevanten Messwerten nach der Methode der kleinsten Quadrate gelöst. Die angegebene Standardunsicherheit wird rechnerisch wie eine Standardabweichung behandelt.

Für die Atommasse m und ihre Standardunsicherheit Δm heißt r = Δm/m relative Standardunsicherheit. Sie ist in AME2016 nicht ausdrücklich für jedes Nuklid angegeben, kann aber aus Atommasse und Standardunsicherheit berechnet werden. In einer Nuklidkarte werden Nuklide mit besonders genau bekannter Masse schwarz dargestellt; rote Punkte stehen für aus systematischen Trends extrapolierte Werte.

Die kleinste relative Standardunsicherheit aller gemessenen Atommassen besitzt ¹⁶O mit 1,1·10⁻¹¹. Unter stabilen Nukliden hat ¹³⁸Ce mit 7,7·10⁻⁸ die größte relative Standardunsicherheit. Die größten gemessenen relativen Standardunsicherheiten betreffen die äußerst kurzlebigen Nuklide ⁴Li mit 5,7·10⁻⁵ und ¹⁷Na mit 6,3·10⁻⁵. Zu den besonders genau bekannten Massen zählen beispielsweise ⁴He: 04 002 603,254 130 µu mit 0,000 063 µu Unsicherheit und relativer Unsicherheit 1,6·10⁻¹¹, sowie ²⁸Si: 27 976 926,534 991 µu mit 0,000 524 µu und 1,9·10⁻¹¹.

NUBASE als ergänzende Datensammlung

Das AMDC begann 1993 parallel zur AME die NUBASE-Evaluation (NUclear data BASE); die erste Version erschien 1997. Seit 2003 wird sie synchron mit der AME veröffentlicht. Während die AME2016 3436 Nuklide umfasst, enthält NUBASE2016 wegen der zusätzlichen isomeren Zustände 5625 Datensätze. Isomere Zustände sind angeregte Kernzustände; aufgenommen werden alle bekannten Zustände mit Halbwertszeiten über 100 ns.

NUBASE soll die wichtigsten Daten zu jedem Nuklid in einer Tabelle vereinen: Massenexzess als Stellvertreter der Atommasse, Anregungsenergie isomerer Zustände und Halbwertszeit instabiler Nuklide, jeweils mit Standardunsicherheit. Hinzu kommen Drehimpuls und Parität J^π des Grund- oder isomeren Zustands, gegebenenfalls der Isospin T für isomere Zustände eines Multipletts Isobarer Analogzustände, das Jahr der ENSDF-Daten, Quellenangaben, das Entdeckungsjahr sowie Zerfallsmodi und Verzweigungsverhältnisse.

NUBASE nutzt auch die Evaluated Nuclear Structure Data Files (ENSDF), die vom National Nuclear Data Center im Auftrag des von der International Atomic Energy Agency gesponserten International Network of Nuclear Structure and Decay Data Evaluators betreut werden. Die computerlesbare Datei nubase2016.txt ermöglicht das schnelle Auffinden von Daten, enthält jedoch keine Spaltenbeschriftungen.