Die chemischen Elemente sind die Grundbausteine unserer materiellen Welt. Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff bilden die Voraussetzung für alles Leben. Blei ist das schwerste stabile Element. Das schwerste natürlich vorkommende Element – sieht man von extrem geringen, kaum nachweisbaren Spuren von Neptunium und Plutonium ab – ist Uran, das 92. Element des Periodensystems. Ist das schon das Ende oder gibt es superschwere Elemente weit jenseits von Uran?

Kernspaltung statt Transuran

Die ersten Versuche, neue Elemente – sogenannte Transurane – zu erzeugen, lieferten eine folgenschwere Überraschung. Bei ihren Bestrahlungen von Uran mit Neutronen fanden Otto Hahn und Fritz Strassmann im Dezember 1938 statt des erwarteten Transuran-Elements in der Natur nicht vorkommende Isotope des Bariums, eines wesentlich leichteren Elements. Lise Meitner und Otto Frisch erklärten im Februar 1939 diese Beobachtung durch ein neues Phänomen, die Kernspaltung, und sagten voraus, dass beim Spaltprozess große Energiemengen freigesetzt werden. Diese Überlegungen führten schließlich zu Kernreaktoren und Nuklearwaffen.

Meitner und Frisch kamen außerdem zu dem Schluss, dass die Kernspaltung die Anzahl der chemischen Elemente auf etwa hundert begrenzen müsse. Ihre Begründung: Die schwersten Elemente haben sehr viele Protonen, die elektrostatische Abstoßung zwischen diesen nimmt mit der Ordnungszahl stark zu und ist schließlich stärker als die Bindungskraft zwischen den Nukleonen (Neutronen und Protonen), welche den Atomkern zusammenhält. Sehr schwere Atomkerne sind deshalb instabil und platzen auseinander, sie spalten sich in zwei Kerne mit niedrigerer Ordnungszahl auf.

Erzeugung neuer Elemente durch Kernverschmelzung

Bestrahlt man Uran – 92 Protonen, 146 Neutronen, Massenzahl 238 – mit Neutronen, so fängt der Kern ein Neutron ein und spaltet sich. Doch es gibt eine zweite Möglichkeit: Es kann sich das radioaktive Uran-Isotop mit der Massenzahl 239 bilden. Unter Aussendung eines energiereichen Elektrons wandelt sich dann im Atomkern ein Neutron in ein Proton um – ein Neptunium-Kern, Ordnungszahl 93, entsteht. Edwin McMillan und Philip Abelson gelang 1940 auf diese Weise die Synthese des ersten Transurans. Mit diesem einfachen Verfahren konnte man, vorwiegend durch Bestrahlung in Kernreaktoren, wie von Meitner und Frisch vorhergesagt, bis Element hundert – Fermium – vordringen.

Insel der Stabilität

Meitner und Frisch hatten bei ihren Berechnungen das von George Gamow, Carl Friedrich von Weizsäcker und Niels Bohr entwickelte Tröpfchenmodell der Atomkerne verwendet. Es beschreibt zwar sehr erfolgreich die grundlegenden Eigenschaften der Kerne, berücksichtigt aber eine wichtige Eigenschaft nicht: ihre Schalenstruktur. Schalen kennen wir von der Elektronenhülle der Atome. Elemente mit abgeschlossenen Elektronenschalen, die Edelgase, sind besonders resistent gegen chemische Reaktionen oder, mit anderen Worten, in ihrer atomaren Struktur sehr stabil. Ebenso zeigen Atomkerne mit abgeschlossenen Neutronen- oder Protonenschalen erhöhte Stabilität. Sie kommen daher besonders häufig vor. Elemente mit abgeschlossenen Protonenschalen haben mehr Isotope, also Geschwister mit gleicher Protonen-, aber unterschiedlicher Neutronenanzahl, als ihre Nachbarn. Wegen dieser zunächst unverstandenen Eigenschaft nannte man diese Kerne „magisch“. Beispiele für magische Kerne sind Sauerstoff, Zinn und Blei. Analog gibt es auch abgeschlossenen Neutronenschalen. Atomkerne mit abgeschlossenen Protonen- und Neutronenschalen nennt man „doppelt magisch“. Ein wichtiges Beispiel ist das doppelt magische Blei-Isotop der Masse 208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen.

Mit verbesserten Kernmodellen und den ersten Hochleistungsrechnern war es um 1966 möglich, nach Antworten auf die Fragen zu suchen, wo der nächste doppelt magische Kern oberhalb von Blei liegt, und ob dieser allein wegen seiner Schalenstabilisierung sogar in der Natur existieren könnte. Die aufregende Antwort war: Es gibt eine stabile Insel um den doppelt magischen Kern mit 114 Protonen und 184 Neutronen im „Meer der Instabilität“ nach dem Tröpfchenmodell. Damit war die Idee der superschweren Elemente geboren. Eine rege Suche in der Natur setzte ein, an heißen Quellen, in Manganknollen auf dem Grund der Tiefsee, sogar im Goldschatz der Rheinland-Pfälzischen Landesbank oder im Blei alter Kirchenfenster – jedoch ohne Erfolg.

Gleichzeitig machte die Entwicklung von Beschleunigern große Fortschritte. Damit eröffnete sich die Möglichkeit, durch Bestrahlung schwerer Atomkerne mit schweren Ionen hoher Energie das Meer der Instabilität zu überspringen und direkt auf der Insel der superschweren Kerne zu landen. Bei der Verschmelzung von Projektil- und Zielkern, dem sogenannten Target, entsteht ein neuer superschwerer Kern, der alle Protonen und Neutronen von Projektil und Target enthält. Dieser Vorgang ist also gewissermaßen die Umkehrung der Kernspaltung. Voraussetzung dafür ist, dass die Projektilenergie hoch genug ist, um die elektrostatische Abstoßung zwischen Projektil und Target mit ihren zahlreichen Protonen zu überwinden, so dass beide Kerne überhaupt in Kontakt miteinander kommen und die anziehenden Kernkräfte zur Verschmelzung führen können.

1969 wurde die Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt gegründet. Kernstück ist der leistungsfähige universelle Linearbeschleuniger UNILAC. Eines der zentralen Forschungsziele der GSI war von Anfang an die Produktion und Analyse superschwerer Elemente. Zu dieser Zeit existierten bereits zwei Beschleunigerzentren, die sich einen harten Wettkampf in der Synthese neuer Elemente lieferten: das Lawrence Berkeley Laboratory in Berkeley, USA, und das Joint Institute of Nuclear Research (JINR) in Dubna, UdSSR. Hier hatte man bereits Schritt für Schritt, Element für Element, die Gegend oberhalb von Fermium durch Schwerionen-Fusion erschlossen. Im Jahr 1974 war man schließlich bei Element 106 – Seaborgium – angekommen. Da war wieder einmal Schluss. Zwar mögen schwerere Elemente erzeugt worden sein, doch die damaligen Nachweistechniken, wie zum Beispiel chemische Trennungen, hatten ihre Grenzen erreicht, sie waren zu langsam und zu unempfindlich für die wenigen entstehenden Kerne mit ihren extrem kurzen Lebenszeiten.

Per SHIP zu den Superschweren

Um in Bereiche jenseits von Element 106 vorzudringen und eine Chance zu haben, superschwere Elemente zu finden, wurde bei der GSI das Geschwindigkeitsfilter SHIP aufgebaut. Es nutzt die Tatsache, dass die schweren Atomkerne beim Fusionsprozess aus der hauchdünnen Targetfolie herausgestoßen werden und eine ganz bestimmte Geschwindigkeit haben. SHIP, eine Anordnung aus elektrischen und magnetischen Ablenkfeldern, fokussiert alle Teilchen genau dieser Geschwindigkeit auf ein Nachweissystem aus Halbleiterdetektoren. In diesen bleiben sie stecken, der Zerfall einzelner, individueller, Atomkerne wird gemessen.

Die schwersten Elemente zerfallen vorwiegend durch eine Serie von Alphazerfällen, also die Emission energiereicher Heliumkerne. Eine Sequenz von Alphazerfällen verläuft in Schritten von zwei Elementen und vier Masseneinheiten zu leichteren Elementen. Zerfallszeiten und Zerfallsenergien sind charakteristisch für den jeweiligen Atomkern, eine Art nuklearer Fingerabdruck. Endet die Kette bei einem bekannten Isotop, so kann man ein unbekanntes Isotop oder sogar ein neues Element mithilfe einer einzigen solchen Kette identifizieren. Für ein einziges Atom sind dazu Experimente notwendig, die über Wochen oder gar Monate laufen – über die Summe der Zerfallszeiten der Zerfallskette.

Mit SHIP konnten die Physiker der GSI sechs neue Elemente – Bohrium, Bh (107); Hassium, Hs (108); Meitnerium, Mt (109); Darmstadtium, Ds (110); Roentgenium, Rg (111) und Element 112 – Copernicium, entdecken.

Moderne Tröpfchenmodelle lassen das Meer der Instabilität bei Rutherfordium (104) beginnen. Wie können diese neuen Elemente mitten im Meer der Instabilität existieren? Die Antwort gibt die Theorie: Sie sind durch Schaleneffekte stabilisiert. Im Unterschied zu der noch weit entfernten Insel der superschweren Elemente haben sie die Form eines American Football (die superschweren Elemente bei Z=114 sind, wie das doppelt magische Blei-Isotop der Masse 208, sphärisch, also kugelförmig). Das Zentrum der neu entdeckten Region deformierter Kerne liegt bei 108 Protonen (Hassium) und 162 Neutronen. Dies lässt sich an der Zerfallskette von Element 112 direkt ablesen: Oberhalb von Element 108 sind die Kerne weniger stabil, sie haben kurze Lebensdauern im Bereich von Millisekunden. Unterhalb werden sie stabiler, die Zerfallszeiten verlängern sich auf Sekunden. Diese aufregende und völlig unterwartete Entdeckung hat zwei wichtige Konsequenzen: Das Meer zwischen dem „Festland“ der stabilen Kerne und der Insel der superschweren Elemente ist nicht bodenlos tief, sondern es gibt eine Brücke – und die Idee der superschweren Elemente, die Existenz von Atomkernen im Meer der Instabilität nur durch Schalenstabilisierung, ist bewiesen. Deshalb bezeichnen viele Physiker die Elemente oberhalb von Rutherfordium (Element 104) bereits als superschwere Elemente – obwohl streng genommen und entsprechend der ursprünglichen Voraussage die superschweren Kerne sphärisch sind und am doppelten Schalenabschluss bei Element 114 und einer Neutronenschale mit 184 Neutronen liegen.

Aufbruch an die Grenzen

Nach diesen großen Fortschritten ging die Suche nach einem besonders stabilen Isotop des Elements 114 verstärkt weiter. Man versucht sich Schritt für Schritt, Element für Element, der magischen Zahl 114 zu nähern. Die Forscher der GSI sind bis Element 112 gekommen. Am RIKEN-Institut nahe Tokio in Japan gelang es sogar, Element 113 zu erzeugen. Die Physiker dort brauchten 79 Tage Bestrahlungszeit, um ein einziges Atom dieses neuen Elements herzustellen. Wie lassen sich noch schwerere Elemente produzieren? Die Elemente 107 bis 112 wurden durch Bestrahlung von Blei- (Protonenanzahl Z=82) oder Bismut-Targets mit Projektilen wie beispielsweise Zink (Z=30) hergestellt. Der Trick dabei: Es wurde das doppelt magische Blei-Isotop der Masse 208 benutzt, welches für diese Elemente die besten Resultate liefert, wie die Forscher im Laufe ihrer Experimente gelernt haben. Offenbar kommt doppelt magischen Kernen bei der Synthese der schwersten Elemente eine besondere Bedeutung zu.

Um über Element 113 hinauszukommen, machten sich die Physiker am JINR in Dubna diese Erkenntnis zunutze und nahmen einen anderen doppelt magischen Kern als Projektil: das Kalzium-Isotop (Z=20) der Masse 48. Als Targets benutzten sie Uran (Z=92), Plutonium (Z=94), Americium (Z=95), Curium (Z=96) oder Californium (Z=98). So gelangten die Wissenschaftler wahrscheinlich bis zum Element 118, also weit über das als magisch vorhergesagte Element 114 hinaus. Trotzdem fanden die Forscher bislang keinen Hinweis auf den erwarteten Schalenabschluss bei Element 114. Eine mögliche Erklärung: Die in Dubna erzeugten Isotope haben maximal 176 Neutronen und sind somit noch weit von der magischen Neutronenschale N=184 entfernt. Eine alternative Erklärung bieten neuere Theorien, die Z=120 oder 126 als magische Protonenzahl voraussagen.

Mit den bisherigen Methoden scheint zwar die Produktion von Element 118 gelungen zu sein, aber die magische Insel lässt sich damit nicht erreichen, denn die verfügbare Neutronenzahl ist bei diesen Verfahren zu klein. Auch für Element 120 müssen die Physiker nach neuen Wegen suchen. Es lässt sich mit der Dubna-Methode nicht erreichen, da es keine Targets jenseits von Californium gibt. Die Wissenschaftler in Darmstadt, Tokio und Dubna arbeiten fieberhaft an der Lösung dieser beiden Probleme.

Chemie mit einzelnen Atomen

Lassen sich die immer schwereren Elemente weiter in das Periodensystem einpassen oder bricht diese Systematik irgendwo zusammen? Die immer größere Zahl der Protonen in den zunehmend schwereren Atomkernen übt eine immer stärkere Kraft auf die Elektronen der Elektronenhülle aus. Die spannende Frage ist, ob diese Kraft die chemischen Eigenschaften der schwersten Elemente beeinflusst.

Stießen die Forscher zunächst nur auf superschwere Elemente mit extrem kurzen Zerfallszeiten im Bereich von Zehntel- bis Tausendstelsekunden, so gelang inzwischen auch die Produktion von Isotopen mit Halbwertszeiten von Sekunden. Damit werden chemische Untersuchungen möglich. Die Chemie schwerer Elemente – schon ab Neptunium – ist stets schnelle Chemie mit einzelnen Atomen, sie wurde in den letzten Jahren erheblich verbessert, schneller und empfindlicher gemacht.

Sehr erfolgreich ist dabei die Gas-Chromatographie. Genau wie bei SHIP wird der durch Fusion erzeugte schwere Atomkern aus der dünnen Targetfolie heraus gestoßen. Ein Gasstrom bremst den Kern dann ab und transportiert ihn durch ein dünnes Röhrchen zu einer Nachweiskammer, die mit einer Bank aus Halbleiterdetektoren bestückt ist. Diese wird auf der Eintrittsseite des Transportgases geheizt und auf der Austrittsseite gekühlt. Es bildet sich also ein wohldefiniertes Temperaturgefälle in dem Gasstrom. Das Atom kommt immer wieder mit der Detektorbank in Kontakt und schlägt sich schließlich auf dem Detektor nieder. Die Wissenschaftler nennen diese Anlagerung des Atoms „Adsorption“. Anschließend zerfällt der Kern und verrät so, auf welchem Detektor es adsorbiert wurde und damit seine charakteristische Adsorptionstemperatur.

Auf diese Weise erhalten die Forscher bereits eine erste wichtige Information über die chemischen Eigenschaften des Elements. So wird sich ein Edelgas erst bei sehr tiefer Temperatur niederschlagen, ein quecksilberähnliches Element dagegen schon in der Nähe der Raumtemperatur. Das auf dem Detektor haftende Atom lässt sich außerdem – wie bei SHIP – durch seine Alpha-Zerfallskette identifizieren. Physikalische und chemische Nachweismethoden ergänzen sich also. Sind die chemischen Eigenschaften unbekannt, so hilft die Physik bei der Identifikation – und umgekehrt. Ist das zu untersuchende Element nicht flüchtig, wandelt man es zuvor chemisch in eine wohlbestimmte gasförmige Verbindung um. Mit dieser Methode konnten die Physiker bis Element 112 vordringen. Bisher lassen sich alle untersuchten Elemente in das Periodensystem einordnen – die Untersuchung der Elemente 109, 110 und 111 steht allerdings noch aus.

Die Suche geht weiter

Bis heute gelang den Physikern die Erzeugung von 25 künstlichen Elementen jenseits von Uran. Das schwerste ist Element 118. Für Element 117 gibt es noch keine experimentellen Daten*. Bei der GSI und in Dubna arbeiten die Forscher fieberhaft an seiner Synthese. Alle Elemente jenseits von Mendelevium (101) lassen sich bislang nur in Form einzelner Atome herstellen. Ihre Lebensdauern sind kurz, sie betragen oft nur Tausendstelsekunden bis hin zu wenigen Sekunden. Das schwerste Element, das einen Namen trägt, ist derzeit Copernicium (112).

[* Mittlerweile wurde Element 117 nachgewiesen, siehe ”Neues Element 117: Wenn Zerfall auf Stabilität deutet“, die Red.]

Die vor mehr als vierzig Jahren vorhergesagte „Insel der Stabilität“ in der „Landkarte“ der Isotopen haben die Physiker trotz aller Bemühungen noch immer nicht erreicht – dafür aber eine Brücke schalenstabilisierter Kerne zu den natürlichen Elementen gefunden.