Wie schwer können Atomkerne sein

Die Frage nach den oberen Grenzen der Stabilität von Atomkernen - praktisch also, wie schwer und groß sie maximal sein können - ist nicht nur für die Kernstrukturphysik von grundlegendem Interesse. Sie berührt ganz unmittelbar unsere Vorstellungen vom Aufbau der Materie im Universum. Die Beantwortung dieser Frage gehört darum bei der GSI seit ihrem Anfang zu den wesentlichen Forschungszielen, ja, sie war ein vorrangiges Motiv für ihre Gründung.

Viele Eigenschaften von Atomkernen lassen sich in Analogie zu einem Flüssigkeitstropfen beschreiben. Das darauf basierende Tröpfchenmodell der Kerne macht zuverlässige Vorhersagen für deren Masse und ihre mittlere Bindungsenergie. Es sagt jedoch nichts aus über die innere Ordnung der Protonen und Neutronen in einem Kerntropfen. Dabei bestimmt diese innere Ordnung wesentlich die Eigenschaften eines Kernsystems, zum Beispiel dessen genaue Bindungsenergie. Ähnlich der Elektronenhülle von Atomen zeigen auch Atomkerne eine Schalenstruktur, deren Ordnung bei bestimmten Protonen- und Neutronenzahlen, den sogenannten magischen Zahlen, zu besonders stabilen Konfigurationen führt. Signifikante Beispiele hierfür sind die doppelt magischen Kerne Helium-4, Sauerstoff-16, Kalzium-40 und Kalzium-48 sowie Blei-208. Bei ihnen bilden sowohl die Protonen als auch die Neutronen eine abgeschlossene Schale, so daß diese Kerne allesamt eine besonders hohe Bindungsenergie besitzen.

Montagearbeiten im Alvarez-Tank

Bildbeschreibung:
Der UNILAC bietet durch eine Kette von Einzelresonatoren die Möglichkeit, die Energie der Ionen in kleinen Schritten zu ändern und reproduzierbar einzustellen. Die Aufnahme zeigt Montagearbeiten im Alvarez-Tank.

Eine bereits Anfang der sechziger Jahre aufkommende Überlegung war nun, ob derartige Schaleneffekte auch bei Kernen weit jenseits des Urans zu einer ausreichend starken Stabilisierung führen, so daß sie in Restspuren noch in der Natur vorkommen könnten oder sich synthetisieren lassen sollten. So wird eine dem Blei-208 ähnliche, doppelt magische Konfiguration für das Isotop ²⁹⁸114 mit 114 Protonen und 184 Neutronen - die hochgestellten Zahlen geben die Gesamtzahl der Nukleonen (Protonen und Neutronen) im Kern an - erwartet. Frühe Berechnungen aus dem Jahr 1966 sagten für dieses Gebiet sogar eine "Insel stabiler Elemente"mit dem Isotop ²⁹⁸114 als Zentrum voraus. Damit war die Idee der über - oder superschweren Elemente - im Englischen: Super Heavy Elements (SHE) - geboren und das experimentelle Bemühen um ihre Synthese eingeläutet.

Das war die Ausgangslage, als der Vorschlag von Christoph Schmelzer kam, in Deutschland einen universellen Schwerionen-Beschleuniger, den UNILAC zu bauen. Er sollte eine systematische Untersuchung aller Kernreaktionen erlauben, die zur Erzeugung überschwerer Elemente denkbar waren. Mit der Gründung der Gesellschaft für Schwerionenforschung im Jahre 1969 wurden dann die Weichen gestellt, um der deutschen Kernphysik den Zugang zur Schwerionenforschung zu eröffnen.

Nach euphorischem Anfang zunächst gescheitert

Zu Anfang erschien alles so einfach: Die vorausgesagten überschweren Elemente sollten eine dem Uran oder Thorium vergleichbare Lebensdauer haben, und es sollte möglich sein, sie in makroskopischen Mengen herzustellen. Der Chemie schien sich der Zugang zu neuen Verbindungen zu eröffnen und der Materialforschung der zu neuen Werkstoffen. Die Atomphysiker hofften auf neue Atome und die Kerntechniker auf neue Brennstoffe. Doch bereits nach wenigen Jahren weltweiter Forschung war Anfang der achtziger Jahre klar, daß die Lebensdauer der überschweren Elemente nur kurz und ihre Erzeugung schwierig ist. Alle Versuche einer Synthese oder sie in geologischen Proben in Restspuren nachzuweisen, waren gescheitert. Das Thema "Überschwere Elemente" schien erledigt zu sein. Dennoch einen Weg zur Synthese der überschweren Elemente gefunden zu haben, war und ist einer der großen Erfolge der GSI.

Der UNILAC war dabei der erste Schlüssel zum Einstieg in die Elementsynthese. Mit seiner Kette von Einzelresonatoren - ein erstmalig in einem Linearbeschleuniger verwirklichtes Konzept - bot er die Möglichkeit, die Energie der Ionen in kleinen Schritten zu ändern und reproduzierbar einzustellen.

Der zweite Schlüssel war das Geschwindigkeitsfilter SHIP (Separator for Heavy Ion Reaction Products), das in Zusammenarbeit mit dem II. Physikalischen Institut der Universität Gießen gebaut wurde und etwa zeitgleich mit dem UNILAC in Betrieb ging. Es mußte aus der Flut der Strahlteilchen und Reaktionsprodukte - mehr als drei Billionen Teilchen pro Sekunde - die gesuchten, äußerst seltenen Fusionsprodukte - etwa einen überschweren Kern pro Tag - herausfiltern. Aufbau und Ablauf des Experiments:

Der vom UNILAC kommende Projektil-Strahl trifft auf dünne Schichten aus Blei oder Wismut, die den äußeren Umfang eines Rads bilden, des Targetrads, das im Strahl zur Reduzierung der Wärmebelastung schnell rotiert.

Der sich dann anschließende Trennprozeß gelingt durch ein zweistufiges, auf den Physiker Wilhelm Wien (1864-1928) zurückgehendes Geschwindigkeitsfilter. Es arbeitet mit elektrischen und magnetischen Ablenkfeldern in der Weise, daß sich die elektrische und die magnetische Ablenkung gegeneinander aufheben, doch nur für eine vorgegebene Teilchengeschwindigkeit, die des synthetisierten überschweren Elements. Die Stärken der beiden Felder werden so eingestellt, daß nur die überschweren Kerne durchkommen können, die aberbillionen Projektile und übrigen Reaktionsprodukte aber dieser Teilchenbahn nicht folgen können. Nur die wenigen Kandidaten für ein überschweres Element werden auf diese Weise also wie die berühmte Nadel im Heuhaufen "herausgesucht".

Der dritte Schlüssel zum Erfolg waren die Detektionsmethoden: Die Geschwindigkeit aller schweren, das SHIP passierenden Kerne wird an dessen Ausgang nochmals mit Hilfe einer Laufzeitanordnung gemessen - nach der doppelten Geschwindigkeitsselektion im Spektrometer also noch ein drittes Mal. Ortsempfindliche Silizium-Sperrschichtzähler, in die dann die Teilchen implantiert werden, bestimmen ihren Auftreffort und ihre Energie.

Die für die Entdeckung entscheidende Alpha-Zerfallskette

Bildbeschreibung:
Die für die Entdeckung entscheidende Alpha-Zerfallskette, mit der der dritte Kern des neuen Isotops ²⁷²111 nachgewiesen wurde. Das war am 17. Dezember 1994 um 6:03 Uhr, auf den Tag genau 25 Jahre nach der Gründung der GSI. Die Zahlen an den Pfeilen bezeichnen die gemessenen Alpha-Energien und die Zeitabstände zwischen den Zerfällen. CN steht für den zunächst erzeugten Compoundkern, der sich unter Abgabe eines Neutrons in das Isotop ²⁷²111 umgewandelt hat. Die Zwischenprodukte ²⁶⁸109 und ²⁶⁴107 der Zerfallskette sind die schwersten Isotope dieser Elemente.

Mit Hilfe dieses hochsensitiven Verfahrens lassen sich bei der GSI auch Isotope mit extrem kleinen Produktionsraten nachweisen. Nur wenige Kernphysik-Spektrometer kommen bisher an die Empfindlichkeit des SHIP heran.

Zur genauen Identifizierung der implantierten Kerne werden deren Zerfallseigenschaften mit Hilfe der Siliziumdetektoren bestimmt, also die ganze Zerfallskette vom implantierten Mutterkern über das Tochterisotop bis hin zu Enkeln und Urenkeln. Das Verfahren wird als Korrelationsmethode bezeichnet, weil die Zerfälle eines implantierten Mutterkerns in den Zählern der Detektoren gleiche Ortskoordinaten haben und dementsprechend einander zugeordnet - korreliert - werden können. So muß der Zerfall eines neuen, bisher unbekannten Isotops, beispielsweise eines überschweren Elements, eindeutig korreliert sein zu den schon bekannten Eigenschaften der nachfolgenden Generationen von Tochterisotopen. Es werden Zerfallsketten bis zur fünften Generation beobachtet.

Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein solches Ereignis rein zufällig auftritt, ist kleiner als 1 zu 10¹⁶, das heißt, etwa eine Milliarde mal kleiner als die Wahrscheinlichkeit, sechs Richtige im Lotto zu gewinnen. Jedes auf diese Weise detektiertes Ereignis ist somit in sich voll signifikant und gleichbedeutend mit dem Nachweis des gesuchten überschweren Elements.

Es geht nur auf die sanfte Tour

Die erfolgreiche SHIP-Gruppe

Bildbeschreibung:
Die erfolgreiche SHIP-Gruppe um Dr. Sigurd Hofmann (Mitte) und Prof. Peter Armbruster (dahinter rechts) stellt sich hier mit dem am 9. November 1994 um 16.39 Uhr gelungenen Nachweis der ²⁶⁹110-Zerfallskette dem Photographen.
 

Das Dreigespann UNILAC, SHIP und Zerfallskorrelation allein hätte aber noch nicht zum Ziel geführt. Es mußte noch eine physikalische Entdeckung hinzukommen. Bereits vor der Inbetriebnahme des UNILAC hatte eine russische Forschergruppe um Yuri Oganessian in Dubna gezeigt, daß bei der Verschmelzung von doppelt-schalenstabilisiertem Blei-208 und Argon-40 Verbundkerne entstehen, deren Anregungsenergie sehr niedrig ist. Dies läßt sich aus der kleinen Zahl der emittierten - im Forscherjargon: abgedampften - Neutronen herleiten. Man spricht auch von sanfter Fusion, weil diese Art von Reaktion wegen der geringen Aufheizung des Verbundkerns dem Ideal einer Kernverschmelzung nahekommt. Wie wir heute wissen, hängt eine erfolgreiche Synthese der überschweren Elemente entscheidend von einer niedrigen Anregungsenergie im Verbundkernsystem ab. Andernfalls spaltet nämlich der gebildete Zwischenkern sofort wieder in zwei leichtere Bruchstücke auf.

Durch Anwendung dieser Entdeckung konnte die letzte Tür auf dem Weg zu den überschweren Elementen aufgestoßen werden. 1980 gelang den GSI-Forschern der Einstieg in deren Erzeugung. Durch Verschmelzung von Blei-208 und Titan-50 konnten sie bei Aussendung von nur einem Neutron das Isotop ²⁵⁷104 herstellen. Dabei brachte die Technik der sanften Fusion noch einen weiteren experimentellen Vorteil: Blei und Wismut sind im Gegensatz zu den in alternativen Synthesereaktionen verwendeten radioaktiven Aktinidentargets leichter zugänglich und einfacher handhabbar.

SHIP

Bildbeschreibung:
SHIP, die experimentelle Anordnung zum Nachweis der schwersten Elemente der Ordnungszahlen 107 bis 111, schematisch dargestellt. Der Schwerionen-Beschleuniger UNILAC liefert einen intensiven energiescharfen Strahl wohldefinierter Isotope (im Bild von links kommend, rot gezeichnet). Damit werden die auf dem Targetrad montierten und zur Reduzierung der Wärmebelastung mit hoher Geschwindigkeit durch den Strahl bewegten dünnen Schichten aus Blei oder Wismut bestrahlt. Dabei entstehen die schwersten Elemente durch Verschmelzungsreaktionen zwischen Projektil- und Target-Kernen. Daran schließt sich das Geschwindigkeitsfilter an, eine Kombination aus elektrischen (gelb) und magnetischen (blau) Ablenkfeldern, in der die seltenen, in Strahlrichtung fliegenden schweren Kerne durch Ausnutzung der Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Projektilen und den verschiedenen Reaktionsprodukten getrennt werden. Die magnetischen Linsen dienen zur Bündelung des Strahls. Ein anschließendes Detektorsystem analysiert die austretenden Kerne, wobei ihre Masse über eine Messung von Flugzeit und kinetischer Energie bestimmt wird. Schließlich beobachtet man die radioaktiven Zerfälle der in die Siliziumdiode implantierten Reaktionsprodukte. Die gesamte Anordnung hat eine Länge von knapp 11 Metern.

Seither ist die GSI bei der Erforschung der überschweren Elemente weltweit führend. In den Jahren 1981 bis 1984 wurden die Elemente 107, 108 und 109 entdeckt, die später die Namen Nielsbohrium (nach dem dänischen Physiker Niels Bohr), Hassium (in Anlehnung an das Sitzland der GSI: Hessen) und Meitnerium (zu Ehren der österreichischen Physikerin Lise Meitner) erhielten. Nach mehrfacher Bestätigung der Ergebnisse bei Wiederholungsexperimenten wurden ab 1988 weitere Verbesserungen an der SHIP-Detektoranordnung vorgenommen. Dabei ließ sich die Empfindlichkeit nochmals um mehr als eine Größenordnung, also mehr als den Faktor 10, steigern.

1994 waren dann alle Vorbereitungen getroffen, um zur Jagd auf die nächst schwereren Elemente blasen zu können. Der erste Erfolg stellte sich am 9. November 1994 ein, als nach sanfter Verschmelzung von Blei-208 mit Nickel-62 unter Aussendung von nur einem Neutron ein Kern des Isotops ²⁶⁹110 identifiziert wurde. Das Element 110 war entdeckt, und das Rennen mit den konkurrierenden Arbeitsgruppen in Dubna und Berkeley zugunsten der GSI entschieden.

Am 23. November 1994 folgte nach dem gleichen Rezept, nun aber unter Verwendung von Nickel-64 Projektilen, das um zwei Neutronen schwerere Isotop ²⁷¹110 des Elements 110. Am 8. Dezember 1994 schließlich gelang es, dem noch eins draufzusetzen: die Entdeckung des Elements 111. Nach sanfter Verschmelzung von Wismut-209 mit Nickel-64 und der Emission eines Neutrons entstand das Isotop ²⁷²111.

42 Zentimeter beträgt der äußere Durchmesser des Targetrads

Bildbeschreibung:
42 Zentimeter beträgt der äußere Durchmesser des Targetrads, das sich mit hoher Geschwindigkeit im Projektil-Strahl dreht. Es trägt rundum - auf eine hauchdünne Trägerfolie aus Kohlenstoff aufgebracht - dünne Schichten aus Blei oder Wismut, die Targetkerne. Hier entstehen die überschweren Kerne, die, von der Wucht der Projektil-Kerne aus der Folie herausgeschlagen, dann auf ihrem Flug durch das SHIP-Filter selektiert und analysiert werden.

Alle bei der GSI entdeckten Isotope der Elemente 107 bis 111 sind (mit einer Ausnahme) sogenannte Alpha-Emitter, das heißt, sie zerfallen unter Aussendung von schnellen Heliumkernen. Die beobachteten Ketten von Alpha-Zerfällen sind ein Charakteristikum der überschweren Elemente. Sie beruhen auf einer durch Schalenstabilisierung drastisch reduzierten Spaltwahrscheinlichkeit, so daß die Kerne praktisch nur über den Alpha-Zerfall in stabilere Konfigurationen übergehen können. Inzwischen weiß man dank der Theoretiker wesentlich mehr über den Mechanismus der Schalenstabilisierung. Danach sollten die in Darmstadt synthetisierten Kerne deformierte schalenstabilisierte Isotope sein. Der experimentelle Nachweis der Deformation steht jedoch zur Zeit noch aus.

Um die Neutronenzahl 170 herum ändert sich die Deformation. Die Kerne sollten dann kugelförmige Gestalt annehmen. Es gibt also zu jedem überschweren Element leichtere Isotope, die deformiert sind, und schwerere Isotope, die sphärisch sind. Letztere sollten längere Halbwertszeiten haben. Wegen ihrer hohen Neutronenzahlen sind sie jedoch über eine Kernverschmelzung von stabilen Isotopen schwer erreichbar. Sie konnten bisher nicht synthetisiert werden.

Auf dem Weg zum Element 114

Das gesamte Detektorsystem

Bildbeschreibung:
Die durch Fusion erzeugten und anschließend aus dem Strahl selektierten überschweren Kerne werden in einen Siliziumdetektor implantiert und anschließend über ihre Zerfallseigenschaften identifiziert. Das Bild zeigt das gesamte, sonst von einem Stahltank umschlossenen Detektorsystem in einer provisorischen Plexiglashalterung.

Die Ende 1994 durchgeführten Versuche haben den Nachweis von fünf neuen Isotopen der Elemente 107 bis 111 gebracht. Damit wurde die Anzahl der bekannten überschweren Kerne fast verdoppelt. Außerdem haben diese Versuche einen Weg zu noch höheren Elementen wie dem »magischen« Element 114 erkennen lassen. Bei der Erzeugung der Isotope ²⁶⁹110 und ²⁷¹110 durch die Verschmelzung von Blei-208 mit Nickel-62 oder Nickel-64 wurde durch das Hinzufügen von zwei Neutronen für das Isotop ²⁷¹110 eine um den Faktor vier erhöhte Produktionsrate gemessen. Etwa derselbe Faktor geht jedoch in der Fusionswahrscheinlichkeit verloren, wenn das nächst höhere Element erzeugt werden soll. So ergab sich für das Element 111 mit seinem Isotop ²⁷²111, das durch die Fusion von Wismut-209 mit Nickel-64 erzeugt wurde, etwa die gleiche Produktionsrate wie für das Isotop ²⁶⁹110.

Ausschnitt des eigentlichen Detektors

Bildbeschreibung:
Die durch Fusion erzeugten und anschließend aus dem Strahl selektierten überschweren Kerne werden in einen Siliziumdetektor implantiert und anschließend über ihre Zerfallseigenschaften identifiziert. Im Bild ist der eigentliche Detektor im Ausschnitt wiedergegeben. Er besteht aus 16 senkrechten Siliziumstreifen, die je 35 mm hoch und 5 mm breit sind.

Ersetzt man das Nickel-64 durch noch schwerere Projektile, so sollte sich der Reaktionsmechanismus nicht wesentlich ändern, und es sollte mit der jetzigen Anordnung sogar eine Synthese der Elemente 113 und 114 noch möglich sein. Mit Hilfe der Projektile Zink-70 und Germanium-76 würden dann die Isotope ²⁷⁸113 und ²⁸³114 erzeugt. Alle diese Isotope sollten über Alpha-Zerfallsketten mit Halbwertszeiten unter 1 Millisekunde zerfallen. Somit scheint nach der Entdeckung von Element 110 und 111 eine erfolgreiche Synthese der Elemente 112 bis 114 durchaus in greifbarer Nähe.

Damit zeichnet sich zum ersten Mal ein gangbarer Weg zum vorhergesagten Zentrum der überschweren Elemente ab - 30 Jahre, nachdem dieses Zentrum postuliert wurde. Das Element 114 zu erzeugen, wäre ein großer Erfolg der Kernstrukturphysik. Dieses Ziel soll in den kommenden Jahren angesteuert werden.