Suche nach der Insel der Stabilität

Kernphysiker erschaffen im Labor neue Elemente

Targetrad und Detektor

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Targetrad (links) und Detektor bilden Anfangs- und Endpunkt einer modernen Alchemistenküche (Fotos: GSI)

Die Chemieköche des Mittelalters mühten sich vergeblich. Trotz aller Anstrengungen wollte es ihnen nicht gelingen, aus Blei Gold zu machen. Wesentlich mehr Erfolg mit der Bleiveredelung haben dagegen heute die Kernphysiker. Zwar können auch sie das giftige Schwermetall nicht in glänzende Nuggets verwandeln. Doch sind sie immerhin in der Lage, neue chemische Elemente daraus zu zaubern.

"Superschwere Atome", wie die Neuschöpfungen in der Fachsprache heißen, enthalten außer einer großen Zahl elektrisch ungeladener Neutronen in ihrem Kern mehr als hundert Protonen. Weil sich deren positive Ladungen abstoßen, zerfallen die Atome sehr leicht und kommen in der Natur nicht vor. "Solch ein Element im Labor zu erzeugen ist für Physiker spannender als jede Goldsuche. Denn sein Verhalten verrät uns viel über die Struktur von Atomkernen", sagt Sigurd Hofmann von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt. Neben dem Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien und dem Institut für kernphysikalische Forschung in Dubna bei Moskau gilt die GSI als eine der erfolgreichsten Elementschmieden der Welt. In den vergangenen zwanzig Jahren gelang es den Wissenschaftlern an der GSI, sechs neue Atomsorten herzustellen, darunter das Element 112, das bis vor Kurzem den Rekord als schwerster Beitrag zum Periodensystem hielt.

Experimentelle Anordnung zur Herstellung überschwerer Elemente

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Experimentelle Anordnung zur Herstellung überschwerer Elemente. Der in einem Linearbeschleuniger erzeugte Schwerionenstrahl trifft auf das Targetrad mit dünnen Folien aus Blei oder Wismut. Zur Reduzierung der Wärmebelastung rotiert es mit hoher Geschwindigkeit. Nahezu alle Ionen durchqueren die Target-Folie ohne wesentlichen Energieverlust; nur selten verschmilzt ein Projektil- mit einem Target-Kern.  Der neu gebildete Verbund-Kern fliegt in dieselbe Richtung, aber etwas langsamer als die anderen Ionen und  Reaktionsprodukte. Er durchquert die zwei elektrischen und vier magnetischen Ablenkfilter des insgesamt 11 Meter langen Geschwindigkeitsfilters. Während der Ionenstrahl auf einen Strahlfänger geleitet wird, gelangen die Verbundkerne auf einen Silizium-Detektor, der Auftreffort und anschließenden Zerfall der Kerne registriert. Die magnetischen Linsen in der Anordnung dienen zur Bündelung des Strahls. (Grafik: I&P)

Was wie moderne Alchemie anmutet, stellt hohe Anforderungen an die Experimentierkunst der Physiker. Mit einem Beschleuniger schießen die Forscher relativ leichte Atomkerne auf eine dünne, zumeist aus Blei bestehende Folie. Fast alle Geschosse passieren die Metallschicht ungestört, lediglich ein paar Wenige stoßen frontal mit einem Bleikern zusammen. In diesem Fall verbinden sich beide Kerne zu einem größeren und bilden günstigstenfalls ein neues Element. Eine solche Fusion klappt jedoch nur, wenn die Geschwindigkeit der einfliegenden Teilchen genau austariert ist. Sind die Geschosse zu langsam, kommen sie nicht dicht genug an die Bleikerne heran. Haben sie zu viel Schwung, platzt der Kernverbund sofort auseinander. "Die Atomkerne zum Verschmelzen zu bringen, ist ähnlich knifflig wie eine Kugel so den Berg hinauf zu rollen, dass sie gerade auf der im Nebel liegenden Spitze zum Stehen kommt", erläutert Hofmann. "Bei einem einwöchigen Bombardement der Bleifolie mit Milliarden Teilchen pro Sekunde erhalten wir im Schnitt höchstens einen der gesuchten Kerne." Und den bekommen die Wissenschaftler noch nicht einmal direkt zu Gesicht. Schon wenige Augenblicke nach seiner Geburt zerbricht der superschwere Kandidat nämlich in leichtere Trümmer. Sie werden von einem empfindlichen Detektor registriert. Wie aus einer Indizienkette müssen die Wissenschaftler dann aus der Zerfallskaskade auf das Entstehen des neuen Elements rückschließen.

Ausschnitt aus der Nuklidkarte

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Ausschnitt aus der Nuklidkarte. In der dritten Dimenion ist zusätzlich die Schalenenergie der Kerne aufgetragen. Ein besonders niedriger Wert bedeutet, dass der Kern sehr stabil ist. Die größte Senke findet sich beim Blei (208Pb mit der Protonenzahl Z = 82). Dieser Kern hat eine vollständig gefüllte Protonen- und Neutronenschale und weist daher eine extrem hohe Stabilität auf. Der Ort des letzten an der GSI hergestellten Elements mit der Protonenzahl 112 ist mit einer Fahne markiert. Die Reaktionsgleichung zeigt: ein Zink- und ein Bleikern verschmelzen unter "Abdampfung" eines Neutrons zum Element 112. Die kleinen Zahlen links oben geben die Summe aus Protonen und Neutronen an. (Grafik: GSI)

Obgleich ihre Kunstprodukte bisher stets nur Millisekunden überlebt haben, treiben Physiker die Elementsynthese mit großem Einsatz voran. Ihren Vorstellungen vom Atomkern zufolge könnten nämlich einige der künftig herstellbaren Schwergewichte recht beständig sein; vielleicht sogar so beständig, dass sich aus diesen Elementen neue Werkstoffe für Materialforschung und Industrie oder zumindest interessantes Experimentiermaterial für Chemiker gewinnen ließe. Denn nach theoretischen Modellen ordnen sich Neutronen und Protonen nicht beliebig im Kern an. Ähnlich wie die Elektronen in der Atomhülle sitzen sie vielmehr in bestimmten Schalen. Sind die Schalen ganz mit Protonen oder Neutronen gefüllt, gilt der Kern als besonders stabil, die zugehörige Zahl seiner Bausteine heißt "magisch". Die Forscher versuchen nun, immer schwerere Kerne zu erzeugen, bis sie in einen solchen magischen Bereich vordringen. Indem sie sich langsam durch den "Sumpf" der kurzlebigen Elemente hindurchkämpfen, hoffen sie irgendwann auf eine "Insel der Stabilität" zu stoßen.

Wie weit dieses Eiland entfernt liegt, ist bislang allerdings unklar. Der Theorie zufolge besitzt schon das Element 114 eine vollständig gefüllte Protonen-Schale. Als russische Forscher die Atomsorte im vergangenen Jahr erstmals erzeugten, haftete den Kernen aber wenig Magisches an: Auch sie zerfielen bereits nach wenigen Sekunden. Noch kürzere Zeit überdauerten die drei Kerne des Elements 118, deren Produktion unlängst aus Berkeley gemeldet wurde. Dennoch fühlen sich viele Kernphysiker von den jüngsten Experimenten angespornt. Die Versuchsreihe in Berkeley hat nämlich gezeigt, dass die Bildungswahrscheinlichkeit für das Element 118 ungewöhnlich hoch ist. Das lässt auf gute Erfolgschancen für die Herstellung weiterer schwerer Kerne schließen. Rechnungen sagen die nächsten Stabilitätszentren in der Nähe der Elemente 120 und 126 voraus.

Alle bekannten, knapp 2500 Atomkerne

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Alle bekannten, knapp 2500 Atomkerne sind hier nach der Zahl ihrer Protonen (Z) und der Zahl der Neutronen (N) geordnet. Jede waagerechte Zeile enthält alle Isotope eines Elements. Nur die 263 schwarz markierten Kerne, die in der Darstellung den "Kamm" des Gebirgszugs bilden, sind in der Natur stabil vorhanden, alle anderen wurden durch Kernreaktionen erzeugt. Waagerechte und senkrechte Doppellinien markieren abgeschlossene Protonen- bzw. Neutronenschalen. Die in diesen Bereichen angesiedelten Kerne sind besonders stabil. An die Spitze des Festlandes oben rechts schließen sich einzelne "Inseln" an, die vom Meer der nicht herstellbaren Elemente umgeben sind. Das Element 114 sollte nach der Theorie eine längere Lebensdauer besitzen als die anderen Inseln, da es eine vollständig besetzte Protonenschale hat. Als es im vergangenen Jahr von russischen Wissenschaftlern erzeugt wurde, zerfiel es allerdings schon nach wenigen Sekunden. (Grafik: GSI)

Ob die Forscher dort tatsächlich Atomkerne finden, die länger als ein paar flüchtige Sekunden existieren, ist offen. Ein kleiner Trost bleibt den Teilchenschmieden jedoch in jedem Fall: Wenn sie ein neues superschweres Element erzeugen, dürfen sie einen Namen für ihre Schöpfung vorschlagen. So heißt das GSI-Produkt mit der Ordnungszahl "108" inzwischen "Hassium" nach dem Bundesland Hessen, in dem das Wissenschaftszentrum seinen Sitz hat. "Für die Physik spielt die Namensgebung natürlich überhaupt keine Rolle", sagt Hofmann. "Aber die Entdecker erfüllt das Privileg durchaus ein bisschen mit Stolz" - ganz gleich, wie kurz das Leben ihres Täuflings ist.