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Periodensystem der Elemente : Ein schwergewichtiger Neuzugang

Blick in den 120 Meter langen Linearbeschleuniger bei GSI, der die Kalziumionen beschleunigte, bevor sie mit den Berkliumkernen zusammenprallten. Bild: GSI

117 Protonen und 177 Neutronen haben die Atomkerne eines superschweren Elements, das eine internationale Forschergruppe in Darmstadt hergestellt hat. Sie haben damit frühere Nachweisversuche in Russland bestätigt. Ist mit dem Element-117 nun endlich die „Insel der Stabilität“ auf der Nuklidkarte erreicht?

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          Das superschwere chemische Element mit der Ordnungszahl 117 ist jetzt auch von einer internationalen Forschergruppe an der Gesellschaft für Schwerionenforschung GSI in Darmstadt produziert und nachgewiesen worden. Die gemessenen Eigenschaften  decken sich mit den früheren Befunden einer amerikanisch-russischen Gruppe, die das Schwergewicht im Jahr 2010 an der Bestrahlungsanlage des russischen Kernforschungszentrums in Dubna bei Moskau zum ersten Mal erzeugt hat. Damit  ist für die Forscher um Christoph Düllmann von der Universität Mainz  die Existenz des Elements-117  gesichert  und das Periodensystem um einen Neuzugang reicher.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Der Atomkern des Schwergewichts, der aus 117 Protonen besteht, besitzt 25 Protonen mehr als Uran, das schwerste natürlich vorkommende Element. Mit dem positiven Befund aus Darmstadt schließt sich nun die Lücke zwischen den schweren Elementen 116 und 118, die man schon früher erzeugt hatte. Wie Düllmann und seine Kollegen, darunter Wissenschaftler aus Australien, den Vereinigten Staaten, Finnland, Schweden, Großbritannien, Polen und der Schweiz,   in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, sind während einer Messphase von vier Wochen gerade mal  vier Atomkerne erzeugt worden. Die magere Ausbeute hat  den Physikern offenkundig ausgereicht,  um die wichtigsten physikalischen Eigenschaften des superschweren Elements auszuloten. Von zwei nachgewiesenen Atomkernen mit jeweils 117 Protonen und 177 Neutronen berichten Düllmann und seine Kollegen jetzt ausführlich in den „Physical Review Letters“.

          Zielscheibe aus seltenem Element

          Zur Herstellung der Kerne nutzten die Forscher  den Linearbeschleuniger der GSI. Dort haben sie immer  wieder energiereiche Kalziumionen auf eine Folie geschossen, die aus dem neutronenreichen Isotop Berkelium-249 bestand. Die hochreine Berkelium-Probe hatte man zuvor durch Bestrahlung von Americium und Curium im Hochflussreaktor des Oak Ridge National Laboratory erzeugt. Für gerade mal 13 Milligramm benötigten die Forscher 18 Monate.

          Hier an diesem Transaktiniden-Separator und Analysegerät werden die  superschweren Elemente nach ihrer Erzeugung untersucht.
          Hier an diesem Transaktiniden-Separator und Analysegerät werden die superschweren Elemente nach ihrer Erzeugung untersucht. : Bild: Gaby Otto, GSI,

          Beim Beschuss der Berkeliumkerne mit Kalziumkernen kam es hin und wieder zu Fusionsreaktionen, in deren Folge auch vier  Kerne des Elements 117 entstanden, die rasch zerfielen.

          Nachweis über Zerfallskette

          Den Nachweis, dass man tatsächlich Atomkerne mit 117 Protonen erzeugt hatte, erbrachte die Zerfallskette. Die Kerne  zerfielen jeweils unter Aussendung von Alphateilchen zunächst in die beiden Tochterkerne mit den Ordnungszahlen 115, 113 und dann weiter in die Elemente mit den Ordnungszahlen 111 (Roentgenium), 109 (Meitnerium), 107 (Bohrium),  105 (Dubnium) und 103 (Lawrencium). Danach trat die Kernspaltung ein.  

          In den Zerfallsketten wurden ein vorher unbekannter Alpha-Zerfallszweig in die Isotope Dubnium-270 (105, Protonen und 165 Neutronen)  und Lawrencium-266 (103 Protonen und 163 Neutronen) identifiziert.  Mit Halbwertszeiten von etwa einer Stunde und etwa elf Stunden gehören beide Atomkerne zu den langlebigsten heute bekannten superschweren Isotopen.

          Auf der Insel der Stabilität

          Das Ziel solcher Versuche ist es, sich der "Insel der Stabilität" auf der Nuklidkarte zu nähern. Damit bezeichnen Kernphysiker künstliche schwere Atomkerne, die theoretischen Berechnungen zufolge bis zu Minuten oder vielleicht Stunden leben, bevor sie zerfallen. Ursache für die lange Lebensdauer sind unter anderem Schaleneffekte, die der Coulombabstoßung der Protonen entgegenwirken und dadurch verhindern, dass sich ein schwerer Atomkern rasch spaltet. Besonders stabile Elemente erwartet man je nach Modell bei neutronenreichen Atomkernen mit 172 oder 184 Neutronen und 120 oder 126 Protonen.

          Für die Physiker um Düllmann ist die Art und Weise, wie das Element 117, dessen Kern 177 Neutronen enthält,   zerfällt, ein deutliches Indiz dafür, dass man sich bereits auf dem Eiland befindet. So durchläuft der neutronenreiche Atomkern  eine Kette von sieben  Alphazerfällen bis zum Element Lawrencium, das schließlich durch Kernspaltung zerfällt. Offenkundig bewirken Schaleneffekte und die Tatsache, dass der Atomkern eine ungerade Neutronen- und Protonenzahl aufweist, dass er sich nicht so schnell spaltet.

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