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Eine Reise zur Insel der Stabilität

Die Synthese des überschweren Elements 114 bestätigte die jahrzehntealte Vermutung, daß es am oberen Ende des Periodensystems jenseits des Urans einen Bereich gibt, in dem die Atomkerne ungewöhnlich stabil sind.


Das Jahr 1940 markiert für die Kernchemie und -physik den Beginn einer spannenden Entdeckungsreise. Damals erzeugten Wissenschaftler der Universität von Kalifornien in Berkeley erstmals ein Element, das schwerer ist als Uran: Neptunium. Bis heute wurden 22 weitere solcher Transurane synthetisiert. Nur die beiden "leichtesten" von ihnen – Neptunium mit 93 und Plutonium mit 94 Protonen im Kern – kommen in Spuren auch in der Natur vor.

Mit ihrer hohen Anzahl an Protonen im Kern, der sogenannten Ordnungszahl, und ebenso vielen Elektronen in der Atomhülle haben Transurane ganz besondere physikalische und chemische Eigenschaften. Sie werden in verschiedenen Technologien eingesetzt – vom Rauchmelder bis zu Kernwaffen. Und sie eröffnen unschätzbare Einblicke in die Anordnung der Hüllenelektronen und in die Natur der chemischen Bindung.

Erst kürzlich konnten die Forscher mit der Erzeugung von Element 114 die vorerst letzte und schwierigste Etappe auf ihrer Reise hin zu immer schwereren Transuranen bewältigen. Der Weg dorthin glich einer abenteuerlichen Passage über ein "Meer der Instabilität". In diesem Zwischenbereich sind die künstlich erzeugten Kerne mit mehr als 106 Protonen so instabil, daß sie bereits Sekundenbruchteile nach ihrer Entstehung wieder zerfallen. Doch beim Erreichen der "magisch" genannten Ordnungszahl 114 fanden die Wissenschaftler eine "Insel der Stabilität", die sich durch eine überraschend lange Lebensdauer der hergestellten überschweren Kerne auszeichnet.

Bereits 1966 hatten Kernphysiker diesen Bereich erhöhter Stabilität im Kernschema der chemischen Elemente und seine Lage vorhergesagt. Er sollte die Elemente mit den Ordnungszahlen von 109 bis 115 umfassen. Und der zentrale Gipfel der Stabilitätsinsel mit der höchsten Lebensdauer wurde für ein bestimmtes Isotop des Elements 114 erwartet, das neben den 114 Protonen über 184 Neutronen im Kern verfügt. Aber ähnlich wie die sagenhafte Goldstadt El Dorado hielt man die Insel der Stabilität für ein theoretisches Konstrukt, das in Experimenten nie erreicht werden könne. Viel Raffinesse und Ausdauer waren erforderlich, um schließlich doch dorthin zu gelangen.

Die grundlegende Idee, wie man Transurane synthetisieren kann, stammt aus dem Jahre 1934: Damals schlug der italienische Physiker Enrico Fermi vor, schwere Elemente wie Uran mit Neutronen zu bestrahlen. Neutronen sind elektrisch ungeladen und sollten deshalb relativ einfach in den positiv geladenen Kern eindringen können, so seine Überlegung. Absorbiert der Zielkern bei diesem Vorgang das Neutron, wandelt sich dieses durch Beta-Zerfall in ein Proton und ein Elektron um. Während das Elektron aus dem Kern herausgestoßen wird, verbleibt das Proton darinnen und verwandelt so das Ursprungselement in ein Element mit der nächsthöheren Ordnungszahl.

Bis Mitte der fünfziger Jahre hatten verschiedene Forschergruppen auf diesem Wege die Elemente 93, 94, 99 und 100 hergestellt. Während der gleichen Zeit konnten auch die Elemente 95, 96, 97, 98 und 101 synthetisiert werden, allerdings mit einem anderen Verfahren: durch Beschuß der schweren Zielkerne in einem Teilchenbeschleuniger mit Alphateilchen (Heliumkernen aus jeweils zwei Protonen und Neutronen). Dabei erhöht sich die Ordnungszahl in einem Schritt gleich um zwei.

Alphateilchen und Atomkerne anderer leichter Elemente haben jedoch einen Nachteil: Wegen ihrer positiven Ladung werden sie von den ebenfalls elektrisch positiv geladenen Zielkernen abgestoßen. Um diese Ionen dennoch mit den Zielkernen verschmelzen zu lassen, müssen sie mit genügend hoher Energie und möglichst zentral auf den Stoßpartner auftreffen. Im Vergleich zu dem Einfang eines Neutrons nimmt der neuentstandene Kern dabei aber zusätzliche Anregungsenergie auf. Diese erhöht wiederum die Wahrscheinlichkeit, daß sich der neue Kern sofort nach seiner Entstehung wieder spaltet, bevor er durch "Abdampfen" eines oder mehrerer Neutronen in einen stabileren Zustand übergehen kann. Durch Weiterentwicklung der Teilchenbeschleuniger und der Experimentiertechnik an der Universität von Kalifornien in Berkeley und am Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna (Rußland) gelang es, diese Schwierigkeiten zu überwinden. Zwischen 1958 und 1974 konnten dort durch Beschuß der Elemente 94 bis 98 mit hochenergetischen leichten Kernen die Elemente 102 bis 106 hergestellt werden. Die immer rascher einsetzende spontane Spaltung machte es allerdings unmöglich, mit diesem Verfahren noch schwerere Elemente zu synthetisieren.

Im Jahre 1974 entdeckte schließlich einer von uns (Oganessian) und sein Mitarbeiter Alexander Demin in Dubna, daß die Anregungsenergie des entstehenden Verbundkerns kleiner wird, wenn man etwas leichtere Zielkerne mit einem Strahl schwerer Ionen beschießt; dadurch nimmt die Wahrscheinlichkeit einer spontanen Spaltung erheblich ab, und der Verbundkern hat eine Chance, in den Grundzustand einer stabilen Konfiguration überzugehen. Dieses Verfahren wird gemeinhin "kalte" oder "sanfte" Fusion genannt, hat aber nichts mit der in den achtziger Jahren angeblich beobachteten "kalten Fusion" im Reagenzglas zu tun, die seinerzeit ein großes Medienecho auslöste. Aktivere Forschungsarbeiten in diese Richtung begannen 1975, als der Beschleuniger UNILAC (Universal Linear Accelerator) der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt in Betrieb genommen wurde – die erste Anlage, die alle Ionen, von den leichtesten zu den schwersten, auf kontinuierlich einstellbare Energien beschleunigen konnte.

Doch die ersten Synthese-Experimente am UNILAC verliefen erfolglos. Bei der Fusion der Zielkerne mit den schweren Ionen entstanden nur sehr wenige Kerne neuer Elemente, die zumeist so rasch zerfielen, daß man sie nur während des laufenden Experiments hätte nachweisen können. Auch die Tochterelemente aus der radioaktiven Zerfallskette der neuen Elemente waren so kurzlebig, daß sie nicht registriert werden konnten. Die damals verfügbaren Methoden reichten nicht aus, neue überschwere Elemente zweifelsfrei zu identifizieren.

Der Durchbruch gelang erst, als Anfang der achtziger Jahre eine Forschungsgruppe um Peter Armbruster und Gottfried Münzenberg in Darmstadt eine neue raffinierte und empfindliche Methode zum Nachweis der fusionierten Atomkerne entwickelt hatte. Damit entdeckte sie die Elemente 107, 108 und 109 (siehe "Die schalenstabilisierten schwersten Elemente", Spektrum der Wissenschaft, 9/1988, S. 42). Die Hürden für die Produktion und den Nachweis eines neuen Elements lagen jedoch nach wie vor hoch: Erst nach zwei Wochen Meßbetrieb am UNILAC vermochten die Wissenschaftler einen einzigen Kern des Elements 109 nachzuweisen. Nachdem die Darmstädter Forscher die Strahlintensität des Schwerionenbeschleunigers erhöht und die Empfindlichkeit ihres Nachweisapparats weiter gesteigert hatten, gelang es ihnen 1994 und 1996, auch die Elemente 110, 111 und 112 zu synthetisieren (siehe "Die Synthese überschwerer Elemente", Spektrum der Wissenschaft, 12/1996, S. 54). Element 112 zerfällt mit einer Halbwertszeit von nur 240 Mikrosekunden. In 25 Tagen konnten die Wissenschaftler deshalb lediglich zwei Kerne dieses neuen Elements nachweisen.

Zwischenzeitlich konnten auch unsere Forschungsgruppe in Dubna und unsere Kollegen in den USA weitere Erfolge vermelden, so daß nun auch Kerne mit Ordnungszahlen bis 118 bekannt sind. Dabei wurde insbesondere während der Synthese von Isotopen des Elements 114 eindrucksvoll bestätigt, daß es die vorhergesagte Insel der Stabilität tatsächlich gibt. Den Theoretikern zufolge sollten die Atomkerne bei gewissen "magischen Zahlen" ihrer Bestandteile – der Protonen und Neutronen – besonders stabil sein (etwa bei 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126, …). Die Stabilisierung wird durch einen quantenmechanischen Effekt verursacht, wie er ähnlich bereits von den Elektronenhüllen der Atome her bekannt ist: Die Elektronen ordnen sich in verschiedenen diskreten Energieniveaus, und bei bestimmten Zahlen von Elektronen sind die Niveaus vollständig gefüllt, so daß keine Bindungen zu Nachbaratomen "frei" sind. Auf diese Besonderheit ist letztlich die Struktur des Periodensystems der Elemente und die Stabilität der Edelgase gegenüber chemischen Reaktionen zurückzuführen.

Erstmals war den Physikern Otto Haxel und Hans E. Suess von der Universität Heidelberg 1948 aufgefallen, daß die Bindungsenergie der Atomkerne für gewisse Protonen- und Neutronenzahlen erhöht ist. In Analogie zu den Energieschalen der Elektronenhülle entwickelten daraufhin Hans D. Jensen aus Heidelberg und Maria Goeppert-Mayer vom Argonne-Nationallaboratorium der USA unabhängig voneinander das Schalenmodell des Atomkerns. Mit den darin begründeten magischen Zahlen ließ sich zum Beispiel verstehen, warum der Bleikern – mit 82 Protonen und 126 Neutronen sogar "doppelt magisch" – besonders stabil ist.

Als 1966 die nächsthöheren magischen Zahlen mit 114 Protonen und 184 Neutronen vorhergesagt wurden, schien dies jedoch der vorherrschenden Theorie zu widersprechen. Denn zu jener Zeit erwarteten die Physiker, daß die Zerfalls-Halbwertszeit sowie die Stabilität neuer Elemente gerade bei großen, schweren Kernen extrem niedrig sei. Aber die Vorhersage dieser magischen Zahlen nährte nun die Hoffnung, daß eine Insel besonders langlebiger, schwerer Kerne in dem noch unerforschten Meer der Instabilität verborgen sein müsse.

Ein Grund dafür, daß dieser Teil des Periodensystems so schwer zu erreichen war, lag in dem Umstand, daß diese überschweren Kerne mehr Neutronen pro Proton besitzen sollten als alle bisher bekannten stabilen Elemente. Es mangelte also an geeigneten neutronenreichen Stoßpartnern für die Synthese-Experimente. Für unsere Versuche in Dubna wählten wir zwei exotische Isotope aus: Plutonium-244, das schwerste und seltenste Plutonium-Isotop, als Zielkern, und das ebenfalls sehr seltene und teure Calcium-48 als Projektil. Wir hofften, durch die Fusion der beiden Kerne einen neuen Verbundkern mit 114 Protonen und 178 Neutronen zu erzeugen – dies war so nah wie nur irgend möglich an der doppelt-magischen Konfiguration von 114 Protonen und 184 Neutronen. Und die Anregungsenergie der entstandenen Verbundkerne sollte so niedrig sein, daß zumindest ein Teil von ihnen nicht spontan wieder zerfiel, sondern durch "Abdampfen" von drei Neutronen in einen stabileren Zustand niedriger Energie übergehen sollte – also in ein Isotop des Elements 114 mit 175 Neutronen.

Unser Experiment führten wir mit dem Schwerionenbeschleuniger in Dubna durch. Der intensive Strahl aus Calcium-48-Ionen, die auf ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, traf auf eine dünne Titanfolie, auf die wir einige Milligramm Plutonium-244 elektrolytisch aufgebracht hatten. Um die wenigen Verbundkerne, die während der mehrwöchigen Strahlzeit zu erwarten waren, überhaupt in dem "Hintergrund" aus Abermilliarden anderer Teilchen entdecken zu können, hatten wir die Empfindlichkeit unserer Nachweisapparatur gegenüber früheren Versuchen um das Hundertfache vergrößert.

Die erwartete Signatur unseres neuen Kerns sollte aus einer Serie von Alphazerfällen bestehen, also der sukzessiven Abspaltung von Alphateilchen: Element 114 zerfällt so über Element 112 und Element 110 zu Element 108, wo dann – jenseits der Insel der Stabilität – wieder spontane Kernspaltung einsetzt. Allerdings täuschen auch Alphazerfälle und spontane Spaltprozesse von anderen bei dem Experiment entstehenden Kernen ähnliche Zerfallsreihen vor. Immerhin werden bei dem Experiment pro Sekunde mehrere Milliarden solcher unerwünschter Kerne erzeugt, wohingegen wir im Mittel pro Tag weniger als einen Kern des Elements 114 erwarteten. Für den Erfolg des Experiments ist es deshalb äußerst wichtig, den "Hintergrund" so weit wie nur möglich unterdrücken zu können.

Um dies zu erreichen, entwickelten die Wissenschaftler in Dubna eine gasgefüllte Trennapparatur, die für die gesuchten Kerne optimal durchlässig ist und auch die radioaktive Zerfallsreihe des neuen Elements zuverlässig nachweisen kann. Zugleich unterdrückt sie sehr effektiv alle unerwünschten Partikel. Die Fusionsprodukte – eine Mischung aus synthetisierten Kernen des Elements 114 und anderen Teilchen – werden wegen der Impulserhaltung in Strahlrichtung aus dem Target herausgerissen. Sie treten in eine Kammer ein, wo sie einen Bereich zwischen den Polen eines Dipolmagneten hindurchlaufen, der mit Wasserstoffgas extrem niedrigen Drucks gefüllt ist. Die abgelenkten schweren Ionen wechselwirken dabei mit den Wasserstoffatomen, wodurch jene, deren Elektronen mit geringerer Energie als der Stoßenergie an den Kern gebunden sind, verlorengehen. Das Magnetfeld ist hierbei gerade so eingestellt, daß nur die interessanten Kerne letztlich am Detektor ankommen. Unverbrauchte Ionen des Calcium-48-Strahls, die keine Reaktion ausgelöst haben, laufen mit extrem hohen Geschwindigkeiten in das Wasserstoffgas und sind so stark ionisiert, daß sie vom Magnetfeld anhand ihres Weges eindeutig von den gesuchten Teilchen separiert werden können. Die Apparatur unterdrückt aber auch andere unerwünschte Produkte aus nuklearen Seitenreaktionen.

Nach Verlassen des magnetischen Dipolfeldes werden die Endprodukte von Quadrupolmagneten fokussiert, passieren anschließend einen Flugzeitzähler und treffen dann auf einen Detektor, der sie mit hoher Ortsauflösung registriert. Anhand des Signals vom Flugzeitzähler kann man unterscheiden zwischen den Einschlägen von Teilchen, die durch die Trennanlage gegangen sind, und den radioaktiven Zerfallsprodukten, die schon längst in den Detektor eingeschlagen sind. Die Flugzeit des Zählers läßt sich aber auch dazu nutzen, um zwischen Atomkernen mit hoher Ordnungszahl und solchen mit niedriger Ordnungszahl zu unterscheiden. Der ortsspezifische Detektor senkt zugleich das Hintergrundrauschen, da mit seiner Hilfe unerwünschte Reaktionsprodukte identifiziert und somit auch ignoriert werden können.

Mit dieser Anlage machten wir uns im November und Dezember 1998 auf die Suche nach Element 114. Unser erstes Experiment dauerte 40 Tage. Während dieser Zeit registrierten wir die Signaturen von drei spontanen Spaltungen, was darauf hinwies, daß drei erzeugte Verbundkerne die Trennapparatur durchlaufen hatten, bevor sie wieder zerfielen. Zwei von ihnen erwiesen sich als Zerfall von Americium-244-Kernen. Nur das dritte Ereignis löste einen Impuls am Detektor aus, dem drei Alpha-Zerfälle folgten.

Das war genau die Signatur, die wir erwartet hatten: Die Eigenschaften der registrierten Zerfallskette – also Zerfallsenergien und Zerfallszeiten – stimmten mit dem überein, was die Theoretiker für den Zerfall eines Element-114-Kerns vorhergesagt hatten. Auch die Flugzeit des Verbundkerns und seine Einschlagsenergie im Detektor paßten zu den Vorhersagen. Die Wahrscheinlichkeit, daß ein solches Ereignis zufällig durch Hintergrundprozesse in dem Detektor ausgelöst werden konnte, lag bei weniger als einem Prozent.

Das erzeugte Isotop des Elements 114 mit 175 Neutronen zerfiel mit einer Halbwertszeit von 30,4 Sekunden zu Element 112, das wiederum mit einer Halbwertszeit von 15,4 Minuten in Element 110 überging. Dieses verwandelte sich schließlich mit einer Halbwertszeit von 1,6 Minuten in Element 108. Weil dieser Kern nur noch 169 Neutronen enthielt, befand er sich schon jenseits der Insel der Stabilität und zerplatzte deshalb durch spontane Spaltung in zwei leichtere Bruchstücke. Bei einem Folgeexperiment in Dubna wurde auch ein leichteres Isotop des Elements 114 mit nur 173 Neutronen erzeugt, das weniger stabil ist als das mit 175 Neutronen. Es geht mit einer Halbwertszeit von ungefähr fünf Sekunden durch Alphazerfall in seinen Tochterkern, Element 112, über; nach drei Minuten zerfällt es durch Spontanspaltung in leichtere Kerne.

Wir haben mit unseren Experimenten die Existenz einer Insel der Stabilität bestätigen und auch die Größe ihres Effekts bestimmen können. Die Lebensdauer unseres Element-114-Isotops ist mehr als tausendmal länger als diejenige des 174-Neutronen-Isotops, das in der Zerfallskette von Element 118 entsteht und erst kürzlich am Lawrence-Berkeley-Nationallaboratorium entdeckt wurde. Unser Isotop des Elements 112 mit 173 Neutronen lebt mehr als eine Million mal länger als ein entsprechendes Isotop mit 165 Neutronen, das 1996 in Darmstadt nachgewiesen wurde. Die längeren Halbwertszeiten unserer künstlich hergestellten Elemente machen es auch viel einfacher, diese eingehend zu untersuchen. Solche Studien könnten unser Wissen über die fundamentalen Eigenschaften der Materie grundlegend erweitern.

Kürzlich konnten wir auch zwei Kerne von Element 114 mit jeweils 174 Neutronen synthetisieren. Die Zerfallseigenschaften dieses Isotops lassen dabei die höchst verführerische Vermutung zu, daß die überschweren Elemente auf der Insel der Stabilität vielleicht noch stabiler sind als von der Theorie vorhergesagt.

Jedenfalls sind aufgrund unserer Experimente und der Arbeit anderer Forschergruppen auch für die Zukunft interessante Ergebnisse bei der Erforschung stabiler, überschwerer Elemente zu erwarten. Es sollte auch möglich sein, eines der schwierigsten Probleme bei der Synthese neuer Elemente zu lösen: die gemeinsame Suche nach einem Namen für das neue Element 114.

Literaturhinweise


Moderne Alchemie. Die Jagd nach den schwersten Elementen. Von Gottfried Münzenberg und Matthias Schädel. Vieweg, Braunschweig 1996.

Search for the Missing Elements. Von Glenn T. Seaborg und Walter Loveland in: New Scientist, Bd. 131, Nr. 1784, S. 29 (August 1991).

Transuranium Elements: A Half Century. Von Lester R. Morss und J. Fuger (Hg.). American Chemical Society, 1992.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 3 / 2000, Seite 54
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
3 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 3 / 2000

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