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StartseiteWissenschaft im BrennpunktFlerovium auf dem Weg zur Insel der Stabilität03.03.2019

Superschwere ElementeFlerovium auf dem Weg zur Insel der Stabilität

Superschwere Elemente kommen in der Natur nicht vor. Im Darmstädter Institut GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung wurden einige erstmals künstlich hergestellt. Das Problem: Sie existieren zum Teil nur Sekundenbruchteile. Für eine längere Lebensdauer fehlen aber nur noch ein paar ungeladene Kernbausteine.

Von Arndt Reuning

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Ein Linearbeschleuniger erstreckt sich über die Länge einer Halle. (dpa / Alexander Heinl)
Der Linearbeschleuniger UNILAC schießt Atomkerne auf eine Zielscheibe aus Metall (dpa / Alexander Heinl)

Das GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung liegt in einem kleinen Waldstück nördlich von Darmstadt. Michael Block ist gerade unterwegs vom Büro zur Elementschmiede des Forschungsinstituts. Das Innere des Gebäudes erinnert an eine Fabrikhalle, gut zehn Meter hoch bis zur Decke. Schilder an den Wänden warnen vor hohen Magnetfeldern. Hier sucht der Physiker nach superschweren Elementen am Rande des Periodensystems:

"Das ist jetzt sozusagen der Eingangsbereich zu dem Ort, wo die superschweren Elemente gemacht werden und wo auch die ganzen Elemente, für die man die GSI kennt, entdeckt wurden."

Bohrium, Hassium, Meitnerium, Darmstadtium, Roentgenium und Copernicium. All diese Elemente kommen in der Natur nicht vor. Sie wurden erstmal an der GSI erzeugt – zwischen den Jahren 1981 und 1996. Sie sind radioaktiv und zerfallen innerhalb von Minuten, Sekunden oder sogar Sekundenbruchteilen. Michael Block ist daher auf der Suche nach langlebigeren Varianten der Superschwergewichte:

"Das ist jetzt sozusagen der erste Schritt in den heiligen Hallen."

Darmstadtium wird hergestellt aus Blei und Nickel

Massive Mauern trennen den Ort, wo die superschweren Elemente entstehen, vom Rest der Halle ab. Ein enger Eingang führt in einen höhlenartigen, fensterlosen Raum, schummrig beleuchtet. Hier endet der Linearbeschleuniger UNILAC. Eine hundert Meter lange Kanone, die Atomkerne auf eine Zielscheibe aus Metall schießt. Um zum Beispiel das Element Darmstadtium herzustellen, bombardieren die GSI-Forscher eine dünne Folie aus Blei mit Nickelatomkernen, die auf ungefähr zehn bis zwanzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Bewegungsenergie muss so groß sein, dass die beiden positiv geladenen Kerne miteinander verschmelzen, wenn sie sich treffen – verschmelzen zu einem neuen Element:

"Gut, soweit klingt das ja erst einmal wie Legostein zusammenfügen. Relativ einfach, außer dass man die richtige Geschwindigkeit finden muss. Aber warum ist es noch schwierig. Es ist schwierig, weil es eben ein sehr seltener Prozess ist. Zehn Billionen Nickelkerne pro Sekunde muss man auf das Blei drauf schießen, dass ungefähr einmal am Tag ein Darmstadtium-Atom hinten wieder rauskommt."

Die Stabilität eines Elements hängt davon ab, wie sein Atomkern beschaffen ist. Die positiv geladenen Protonen stoßen sich gegenseitig ab und müssen von den ungeladenen Protonen förmlich zusammengeklebt werden. Ähnlich wie die Elektronen in der Hülle besetzen beide Kernbausteine sogenannte Schalen, die nur teilweise oder komplett gefüllt sein können:

"Und alle diese Kerne, bei denen diese abgeschlossene Schale vorliegt, haben halt typischerweise eine erhöhte Stabilität. Und es ist eben einer der Untersuchungspunkte bei uns konkret, wirklich diese Bindungsenergie zu messen, aus denen man die Position finden kann, bei der so eine magische Zahl auftritt."

Elemente langlebiger durch zusätzliche Neutronen

Diese magischen Zahlen, die auf eine hohe Stabilität hinweisen, kennt man bereits von leichteren Elementen – etwa von Blei, Zinn und Nickel. Theoretische Abschätzungen lassen vermuten, dass ein superschwerer Flerovium-Kern mit seinen 114 Protonen und mit 184 Neutronen auf einer Insel der Stabilität liegen sollte im Meer der kurzlebigen Elemente. Denn das wäre ein doppelt magischer Kern, magisch sowohl für Protonen als auch für Neutronen. Der konnte aber bisher noch nicht synthetisiert werden. Es fehlen noch ein paar ungeladene Kernbausteine. Und so versucht Michael Block nun, die Neutronenzahl in den bereits bekannten superschweren Elementen in der Nähe des Fleroviums weiter zu erhöhen. Am Copernicium lässt sich zeigen, dass das im Prinzip funktioniert: In seiner neutronenärmsten Form lebt das Element gerade einmal eine tausendstel Sekunde lang. Aber mit nur acht Neutronen zusätzlich übersteht es etliche Sekunden:

"Und das deutet eben genau auf diesen Trend zu dieser Insel der Stabilität hin. Und wir sind jetzt eben am Rand. Und wenn wir zum Zentrum eben kommen, erwarten wir, dass dieser Effekt sich also noch weiter ausprägt."

Doch bis dahin werden noch viele Atomkerne den Beschleuniger hinabsausen.

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