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Kernphysik : Schwergewichte auf der Waage

Ionenfalle (eine Pennigfalle) des Shiptrap-Experiments: Sie besteht aus mehreren zylindrischen vergoldeten Elektroden, die durch Keramikisolatoren getrennt sind.
Ionenfalle (eine Pennigfalle) des Shiptrap-Experiments: Sie besteht aus mehreren zylindrischen vergoldeten Elektroden, die durch Keramikisolatoren getrennt sind. : Bild: GSI

Die Forscher um Michael Block und Minaya Ramirez haben sich in ihrem jüngsten Experiment auf Atomkerne der Elemente Nobelium (Ordnungszahl 102) und Lawrencium (Ordnungszahl 103) mit Neutronenzahlen um 152 konzentriert. Der Grund: Bei 152 Neutronen erwartet man eine abgeschlossene Schale und somit eine höhere Bindungsenergie als bei benachbarten Kernen. Zur Herstellung der Transurane haben Block und seine Kollegen Blei- beziehungsweise Wismutfolien mit energiereichen Kalziumionen bestrahlt. Trafen Kalziumkerne auf die Kerne des Targetmaterials, kam es hin und wieder zu Fusionsreaktionen, in deren Folge auch Atomkerne mit 102 und 103 Protonen entstanden. Die Zahl der Neutronen variierte zwischen 150 und 153. Die Halbwertszeiten der Radionuklide waren mit rund zwei Sekunden bis 1,7 Minuten für die direkte Massenbestimmung lang genug. Allerdings war die Rate, mit der einige Isotope erzeugt wurden, äußerst gering. So gingen den Forschern während der viertägigen Messzeit etwa gerade mal fünfzig Atomkerne des Isotops Lawrencium-256 in die Falle.

Erfolgreiches Geduldspiel

Die Mühen haben sich offenkundig gelohnt: Als die Forscher aus den Massen der sechs „gewogenen“ Isotope und aus den bereits bekannten Massen von weiteren Nobelium- und Lawrenciumnukliden die entsprechenden Bindungsenergien ermittelten, zeigten die Atomkerne mit 152 Neutronen gegenüber den anderen Isotopen eine deutliche Überhöhung. Für Block und seine Kollegen ein untrügliches Zeichen dafür, dass man es hier offenkundig mit zwei vergleichsweise stabilen Atomkernen zu tun hat, die jeweils eine abgeschlossene Neutronenschale besitzen (“Science“, Bd. 337, S. 1207). Für die Forscher zählt 152 damit definitiv zu den magischen Zahlen.

In kleinen Schritt  zur Stabilitätsinsel

Das präzise Wägeverfahren für schwere Atomkerne ermöglicht es nicht nur, schwer zugängliche Kernmassen direkt zu bestimmen, sondern auch die theoretischen Modelle der Kernphysik zu testen. „Ein theoretischer Ansatz sagt beispielsweise eine magische Zahl für 154 Neutronen voraus, was nicht bestätigen konnten“, sagt Michael Block. „Die theoretischen Modelle können nun an unsere experimentellen Befunde angepasst werden“. Daraus lassen sich etwa bessere Voraussagen über die Lage der „Insel der Stabilität“ auf der Nuklidkarte ableiten. Damit bezeichnet man künstliche schwere Atomkerne, die aufgrund vollständig gefüllter Protonen und Neutronenschalen recht stabil sind und theoretischen Berechnungen zufolge bis zu Minuten oder vielleicht Stunden leben, bevor sie zerfallen. Die benachbarten Kerne existieren dagegen nur für Millisekunden oder kürzere Zeit. Erwartet wird dieses Eiland bei Nukliden mit rund 120 Protonen und 184 Neutronen. Die bislang schwersten erzeugten Atomkerne haben 118 Protonen und 176 Neutronen. Die Forschergruppe, zu der Physiker um Lutz Schweikhard von der Universität Greifswald, Klaus Blaum vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg sowie Wissenschaftler von den Universitäten Mainz, Padua und Petersburg zählen, will ihr Wägeverfahren nun weiter verfeinern und sich schrittweise an die Stabilitätsinsel herantasten.

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