Ludwig-Maximilians-Universität München
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Schwere Atomkerne

Inseln der Stabilität gesucht

München, 09.08.2012

Auch superschwere chemische Elemente müssen manchmal auf die Waage: In einer internationalen Kooperation wurden sehr schwere Atomkerne erstmals direkt vermessen, um Voraussagen über stabile Elemente mit langer Lebensdauer zu ermöglichen.

Elf Forscherteams haben nun erstmals die Stärke quantenmechanischer Schaleneffekte bei sehr schweren Atomkernen mit mehr als 100 Protonen direkt gemessen - auf der genauesten Waage, die für die seltenen schwersten Elemente existiert. Diese SHIPTRAP-Anlage steht am GSI Helmholtz Zentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt, das federführend bei dieser Studie war. Die Messungen sollen „Inseln der Stabilität“ aufzeigen, bei denen superschwere Atomkerne dank einer bestimmten Größe eine längere Lebensdauer aufweisen.

Triumph ohne Dauer
Es ist meist nur ein kurzer Triumph, wenn die Wissenschaft ein weiteres superschweres künstliches Element erzeugen kann. Denn diese Atomkerne mit über 100 Protonen zerfallen wegen der gegenseitigen Abstoßung dieser positiv geladenen Teilchen meist sofort wieder. Nur bei bestimmten Protonen- und Neutronenzahlen ergeben sich stabilisierende Schaleneffekte, die den superschweren Atomkernen eine längere Lebensdauer bescheren. Bei welchen Protonen- und Neutronenzahlen diese „Inseln der Stabilität“ auftreten, konnte bislang aber nicht bestimmt werden.

Im Rahmen der internationalen Kooperation, an der auch ein Team um den Privatdozent Dr. Peter Thirolf von der LMU beteiligt war, konnte die Stärke dieser Schaleneffekte bei den Transuranen Nobelium und Lawrencium erstmals direkt bestimmt werden. Beide Elemente verfügen über die als besonders stabil geltende Anzahl von 152 Neutronen. „Die Ergebnisse liefern wertvolle Informationen über die Kernstruktur superschwerer Elemente und damit über die Inseln der Stabilität“, sagt Thirolf.

Die Magie der Zahlen
Schon jetzt gilt als wahrscheinlich, dass Elemente mit bestimmten „magischen“ Protonenzahlen über längere Zeit stabil bleiben. Gezeigt hat sich dies bereits bei Kernen mit den Neutronen- oder Protonenzahlen 2, 8, 20, 28, 50 oder 82. Theoretische Vorhersagen lassen erwarten, dass eine extrem lange Lebensdauer auf gefüllten Protonen- und Neutronenschalen beruht, wenn also die dreidimensionalen Bahnen im Kern die maximale Anzahl an Teilchen enthalten. „ Einige theoretische Ansätze vermuten die nächste magische Protonenzahl bei 114, andere bei 120 oder sogar bei 126.

Eine experimentelle Herangehensweise ist hier alleine wegen der niedrigen Produktionsraten nicht einfach. Auch bei der Messung am GSI war die geringe Teilchenzahl eine der größten Herausforderungen. Von dem Isotop Lawrencium-256 etwa konnten gerade einmal gut 50 Atome über eine Messzeit von etwa 93 Stunden mit SHIPTRAP gesammelt werden. Mit einem in der LMU-Gruppe entwickelten Gerät wurde hier die Voraussetzung geschaffen, die Nobelium- und Lawrencium-Ionen zu SHIPTRAP zu übertragen, wo dann die Kernmasse der Ionen mit hoher Genauigkeit und im Vergleich zu Referenz-Ionen bestimmt wurde.

Unbekannte Lebensdauer
Präzise Kenntnisse zur Stärke der Schaleneffekte sind die Voraussetzung für bessere theoretische Vorhersagen. „Wir können jetzt auch die aktuell besten Modelle zur Beschreibung der schwersten Elemente testen“, sagt Thirolf. Damit sollen in Zukunft präzisere Vorhersagen zur Lage und Ausdehnung der „Inseln der Stabilität“ superschwerer Elemente möglich sein. Was die Physiker dann aber schon vor die nächste Frage stellt: Wie lange währt eigentlich das Leben dieser stabilen Atomkerne - Jahrhunderte, Jahrtausende oder gar Jahrmillionen? (suwe)

Die Studie wurde von einem internationalen Forscherteam unter Federführung der GSI und des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) zusammen mit Wissenschaftlern der Universitäten Gießen, Granada, Greifswald, Heidelberg, Mainz, Padu sowie der LMU und des Max-Planck-Instituts für Kernphysik in Heidelberg ung des PNPI in St. Petersburg durchgeführt. (Science Xpress 9. August 2012

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