Neues Element 117: Wenn Zerfall auf Stabilität deutet

Bisher fehlendes Element 117 im Periodensystem der Elemente wurde erstmals nachgewiesen und deutet darauf hin, dass noch schwerere - noch nicht nachgewiesenene - Elemente wieder stabil sein könnten.

Dubna (Russland)/Livermore (USA) - Eine Lücke ist geschlossen und eine ungewöhnliche Theorie gestärkt: Erstmals gelang es russischen und US-amerikanischen Forschern, das superschwere Element 117 zu erzeugen. Damit schließt sich die Lücke in der Elemente-Reihe zwischen 116 und 118 – letzteres wurde bereits vor vier Jahren mit deutlich weniger Aufwand erzeugt. Und obwohl die Atome von Element 117 in Sekundenbruchteilen wieder zerfielen, geschah dies langsamer als bei Atomkernen mit weniger Neutronen, berichten die Physiker im Fachblatt "Physical Review Letters". Sie sehen die Theorie bekräftigt, dass es bei noch schwereren Elementen eine so genannte "Insel der Stabilität" geben könnte - also superschwere Atome, die nicht zerfallen und möglicherweise sogar in der Natur vorkommen könnten. Deren Herstellung bis zu einer Ordnungszahl von über 120 dürfte allerdings noch mindestens einige Jahre auf sich warten lassen.

"Die Entdeckung des Elements 117 ist die Krönung jahrzehntelangen Bemühens, das Periodensystem der Elemente zu erweitern und in der Erforschung schwerer Elemente das nächste Kapitel aufzuschlagen", erklärt Yuri Oganessian, Leiter der Forschungsgruppe am russischen Institut für Kernforschung (JINR) in Dubna, die das Element beim Beschuss in einem Teilchenbeschleuniger erzeugen konnte. Die Vorarbeit zum Erfolg hatten Kollegen am US-amerikanischen Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und dem Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) geleistet: Damit durch Ionen-Beschuss das Element 117 entstehen konnte, musste das höchst seltene Element Berkelium als Target dienen. Diese radioaktive Substanz mit der Ordnungszahl 97 kann nur künstlich hergestellt werden, und so brauchte es ein 250 Tage andauerndes Bestrahlungexperiment in den USA, um 22 Milligramm Berkelium-249 zu erzeugen. Isoliert und hoch aufgereinigt, wurde die Probe am Institut für Reaktortechnik in Dimitrovgrad für den Beschuss im Schwerionen-Teilchenbeschleuniger in Dubna vorbereitet. Dort ließ das Team um Oganessian 150 Tage lang das ebenfalls seltene Isotop Kalzium-48 mit dem Berkelium kollidieren und analysierte die dabei entstandenen Partikel und Energien. Da es sich dabei um eine relativ hohe Zahl von Neutronen (28) zu Protonen (20) handelt, so die Forscher, kommt es zu wenig Coulomb-Abstoßung, so dass die Kerne leicht verschmelzen können. Außerdem entstehen mehr neutronenreiche Elemente als bei anderen Kollisionen.

Tatsächlich kam es offenbar sechs Mal in dieser Zeit zu einer Verschmelzung von Berkelium- und Kalzium-Kernen zum Element 117 – welches binnen Sekundenbruchteilen unter Abstrahlung von Alphateilchen wieder in verschiedene kleinere Nuklide zerfiel. In der Analyse ließen sich aber sämtliche Teile der Zerfallskette rekonstruieren: Zwei unterschiedliche Isotope von Element 117 waren entstanden, einmal mit 177 und fünfmal mit 176 Neutronen. Die Zerfallskette des ersten umfasste sechs, die der anderen Isotope drei Alphazerfälle. Jenes mit 177 Neutronen, das bisher neutronenreichste Isotop überhaupt, hatte eine Halbwertszeit von 78 Mikrosekunden – das ist 87-mal länger als das des Elements 118, das ein Neutron weniger enthält. Auch weitere Zerfallsprodukte in Dubna, etwa die neuen Isotope der Elemente 115, 113, 111, 109 und 107, besaßen je ein oder zwei Neutronen mehr als die bisher beobachteten Isotope dieser Elemente – und ihre Halbwertszeiten waren 2,5-mal bis 42-mal so lang wie bisher.

"Die Zerfallsketten passen gut in das Bild einer 'Insel der Stabilität', die durch die Effekte der Atomhüllen entsteht", schreibt Sigurd Hofmann vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Darmstadt in einem begleitenden Viewpoint. Diese "Insel" im Periodensystem, in dem die Elemente nach der Zahl der Protonen im Atomkern geordnet sind, soll durch Elemente gebildet werden, deren Varianten - so genannte Isotope - in ihrer Zahl von Protonen und Neutronen im Kern bestimmten "magischen Zahlen" entsprechen. Nach der Theorie sind diese Kerne besonders stabil: Statt einer Halbwertszeit von Sekundenbruchteilen könnten sie erst nach Stunden, Tagen oder gar Millionen von Jahren zerfallen. Die magische Zahl für Neutronen liegt demnach bei 184, dazu gehören die Protonenzahlen 114, 120 und 126. Hofmann schreibt: "Dank der Alphazerfallsketten und der hohen Wahrscheinlichkeit, dass es am Ende der Kette zur Spaltung kommt, kann die Südwest-Grenze der Insel als fixiert betrachtet werden. Jetzt stellt sich uns die Frage, wie weit sich die Insel in die anderen Richtungen ausdehnt und welche experimentellen Pfade uns in diese Regionen führen können". Einige Jahre dürfte es schon dauern, schätzen Kollegen, bis ein Kern mit 184 Neutronen erzeugt werden könne – schließlich bedarf es sehr energiereicher radioaktiver und neutronenreicher Ionenstrahlen. Es gilt allerdings auch als möglich, dass sehr stabile dieser superschweren Isotope schon und noch in der Natur existieren, eventuell am Boden der Ozeane. Das vergänglichere Element 117 lautet derweil auf den Namen "Ununseptium" – einen eigenen Namen kann es erst bekommen, wenn es auch in einem zweiten, unabhängigen Labor erzeugt werden konnte.