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Kernphysik : Kernspalterei ist eine Frage der Energie

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Die Rästel des Kernzerfalls lassen sich mit ihm allein nicht lösen: das Periodensystem der Elemente Bild: Universität Göttingen

Jenseits der magischen Zahlen des Quantenmodells: Beim Zerplatzen von Quecksilber-Isotopen sind Zerfallsprodukte entdeckt worden, die sich mit gängigen Theorien des Atomkerns nicht erklären lassen.

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          Als Lise Meitner die Weihnachtstage 1938 im schwedischen Exil gemeinsam mit ihrem Neffen Otto Frisch dazu nutzte, den kurz zuvor von Otto Hahn und Fritz Straßmann entdeckten Zerfall von Uran zu Barium theoretisch zu erklären, waren die weltpolitischen Folgen, die sich aus der Entdeckung der Kernspaltung wenig später ergaben, noch nicht abzusehen. Wenige Wochen vorher hatten Hahn und Straßmann beobachtet, wie sich Urankerne unter Neutronenbeschuss in Barium, Krypton und drei energiereiche Neutronen spalteten. Diese Entdeckung war mit der damaligen Vorstellung von Kernprozessen nicht vereinbar, nie zuvor war ein Atomkern in größere Bruchstücke „zerplatzt“. Der aufgrund ihrer jüdischen Abstammung aus Deutschland vertriebenen Meitner gelang es gemeinsam mit Frisch, die Kernspaltung durch ein Modell zu deuten, das den Atomkern wie ein elektrisch geladenes Wassertröpfchen beschreibt. Durch die Bestrahlung mit Neutronen wird der Kern demnach so stark angeregt, dass er zerbricht.

          Die Theorie des Atomkerns wurde - ausgehend vom Tröpfchenmodell - weiterentwickelt, bis heute gibt es jedoch keine konsistente Beschreibung aller Phänomene. Am europäischen Kernforschungszentrum Cern ist nun eine Entdeckung gemacht worden, die diesen aus wissenschaftlicher Sicht unbefriedigenden Zustand verdeutlicht. Forscher haben im Isolde-Experiment beobachtet, dass der Kern eines Quecksilber-Isotops entgegen aller Prognosen in zwei sehr unterschiedlich große Fragmente zerfällt. Asymmetrische Kernspaltungen wurden zwar schon zuvor entdeckt, bisher konnten sie aber dadurch erklärt werden, dass mindestens eines der Spaltfragmente einen besonders stabilen Energiezustand einnahm.

          Voraussage nach dem Schalenmodell

          Nach dem Schalenmodell des Atomkerns besetzen nämlich Protonen und Neutronen verschiedene Energieniveaus, die in Schalen zusammengefasst sind. Jede davon kann nur eine bestimmte Anzahl an Nukleonen, also an Kernteilchen aufnehmen, wobei die Protonen und die Neutronen jeweils eigenen Schalentypen zugeordnet werden. Ist eine Schale komplett mit Protonen oder Neutronen gefüllt, dann ist die Bindungskraft pro Nukleon besonders hoch. Deshalb werden die Teilchenzahlen, die eine volle Schale bedeuten, auch als „magische Zahlen“ bezeichnet. Das Schalenmodell sagt voraus, dass ein Atomkern, der gespalten wird, meist symmetrisch in zwei Stücke mit etwa gleich vielen Protonen und Neutronen zerbricht. Falls nicht, besitzt mindestens eines der Spaltprodukte magische Zahlen. Bei dem aktuellen Experiment ist das aber erstmals nicht der Fall gewesen.

          Wissenschaftler um Andrei Andreyev haben im Isolde-Experiment des Cern zunächst einen Strahl aus Thallium-180 erzeugt, wie sie in einer der nächsten Ausgaben der Zeitschrift „Physical Review Letters“ berichten. Dieses höchst instabile Isotop aus 81 Protonen und 99 Neutronen zerfiel in Quecksilber-180, indem ein Proton unter Einfang eines Elektrons zu einem Neutron umgewandelt wurde. Die Forscher erwarteten, dass die 80 Protonen und 100 Neutronen des Quecksilbers in zwei gleiche Fragmente Zirkonium-90 mit je 40 Protonen und 50 Neutronen zerfallen würden, zumal 40 und 50 magische Zahlen darstellen. Was sie jedoch stattdessen feststellten, war eine Überraschung: Als Spaltprodukte fanden sie Ruthenium-100 (44 Protonen und 56 Neutronen) und Krypton-80 (36 Protonen, 44 Neutronen). Diese beiden Isotope besitzen keine völlig gefüllte Schale und sind folglich weniger stabil als Zirkonium-90.

          Feines Wechselspiel

          Bereits 2001 hatten Theoretiker um Peter Möller vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico in einem Beitrag für die Zeitschrift „Nature“ beschrieben, dass für schwere Kerne wie Radium oder Uran neben der Stabilität der Endprodukte die Energiebarriere maßgeblich ist, die für die Kernspaltung überwunden werden muss. Deshalb bestimmten die Physiker am Cern die Höhe der energetischen Hürde für jeweils verschiedene Spaltvorgänge von Quecksilber-180. Es stellte sich heraus, dass die asymmetrische Spaltung die energieeffizientere Variante gegenüber der Teilung in annähernd gleich große Stücke darstellt. Andere Isotope aus demselben Bereich der Periodentafel der Elemente lassen damit ebenfalls eine ungleichmäßige Spaltung erwarten, bei einem weiteren Quecksilber-Isotop konnte sie bereits gezeigt werden.

          „Warum genau die Kerne sich asymmetrisch spalten, können wir nicht sagen, das ist ein sehr empfindliches Wechselspiel von Oberflächenspannung, elektrostatischer Ladung und Kernkräften“, so Möller. Er will sein Modell jetzt auf Kerne erweitern, die leichter als Quecksilber sind. Auf ein tieferes Verständnis hoffen die Kernphysiker zudem durch Experimente an neuen Großforschungszentren, die in den kommenden Jahren eröffnet werden, beispielsweise die Fair („Facility for Antiproton and Ion Research“) in Darmstadt.

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