Was es auf der Weltkarte längst nicht mehr gibt, vermuten Physiker im Periodensystem der Elemente: Eine unentdeckte Insel. Das Periodensystem erweitern die Forscher, indem sie superschwere Elemente, also Elemente, die schwerer sind als Uran, im Labor erzeugen. Doch je schwerer die Atomkerne der neu erzeugten Stoffe sind, desto schneller zerfallen sie, oft innerhalb von Millisekunden. Physiker wollen dennoch immer weiter in das Meer der Instabilität vordringen. Denn sie sind überzeugt, dass es Atomkerne gibt, die schwerer sind als die bislang erzeugten und dennoch stabil. Doch bei der Suche nach der Insel der Stabilität stochern sie im Nebel, denn sie wissen nicht, welche Kombinationen von Protonen- und Neutronenzahl stabile Kerne ermöglichen.
Einen Wegweiser im Nebel hat nun eine vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt geführte internationale Kollaboration entwickelt, an der auch Physiker des Heidelberger Max-Planck-Instituts für Kernphysik beteiligt waren: Eine Präzisionswaage für superschwere Atomkerne erlaubt es, das Suchgebiet einzugrenzen.
"Wenn wir die Insel der Stabilität finden, lernen wir dabei viel über das Wesen der Kräfte, die in Atomkernen wirken, also darüber, was die Welt im Innersten zusammenhält", erklärt Klaus Blaum, Direktor am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, der die neue Methode zusammen mit Forschern der GSI sowie mehreren deutschen Universitäten entwickelt hat. Mit diesem Wissen könne man besser verstehen, wie die schweren Elemente bis zum Uran in Sternen entstanden sind. "Ein Kompass zum Auffinden der Insel der Stabilität ist die präzise Messung der Masse superschwerer Atomkerne", sagt Blaum.
Wie viel superschwere Atomkerne auf die Waage bringen, möchten Kernphysiker gerne wissen, weil es ihnen sagt, wie stark die Bestandteile des Kerns, Neutronen und Protonen, aneinander gebunden sind. Denn die Masse des Kerns ergibt sich nicht einfach aus der Summe der Massen seiner Bausteine, sondern unterschreitet diese. Das Weniger an Masse entspricht nach Einsteins berühmter Formel E = mc2 der Bindungsenergie des Kernes, die bei seiner Bildung freigesetzt wird. Stabilität und Masse hängen also zusammen.
"Je genauer die Massen bestimmt werden können, umso besser", sagt Blaum. Es gebe unterschiedliche Theorien, welche die Insel der Stabilität bei unterschiedlichen Gesamtmassen der Kerne und bei verschiedenen Kombinationen von Neutronen- und Protonenzahl vorhersagen. Die gleichen Theorien sagen auch die Massen instabiler superschwerer Atomkerne voraus, die im Labor bereits routinemäßig erzeugt werden. Die Werte unterscheiden sich von Theorie zu Theorie. "Da man nun superschwere Kerne hochpräzise wiegen kann, ist es möglich die Theorien zu testen und zu entscheiden, welche von ihnen falsch sind", sagt Blaum. Somit werde gewissermaßen das Gebiet eingegrenzt, in dem sich die Insel der Stabilität vermutlich befindet.
Bislang konnten Physiker die Massen von superschweren Atomkernen nur indirekt messen, indem sie die beim radioaktiven Zerfall frei werdende Energie und die Massen der leichteren, wägbaren Zerfallsprodukte bestimmte. Durch Addieren der Energien kommen sie dabei auf die Gesamtenergie und somit die Masse des Ausgangskerns. "Doch diese Methode ist sehr ungenau, weil die Energie, die beispielsweise in Form von Anregungsenergie im übrigbleibenden Atomkern steckt, unberücksichtigt bleibt", sagt Blaum.
Nun hat die internationale Kollaboration unter Leitung von Michael Block, der an der GSI in Darmstadt forscht, erstmals direkte die Masse eines superschweren Elementes bestimmt. Ihre Präzisionswaage trägt den Namen SHIPTRAP. Die Forscher haben die Atomkerne einiger Isotope des Elementes Nobelium (Ordnungszahl 102) bis zu zehnmal genauer gemessen als mit der indirekten Methode möglich. Zum Vergleich: Um einen Menschen mit der gleichen Präzision zu wiegen, müsste man sein Gewicht etwa auf ein Milligramm genau messen. Dazu haben die Forscher geladene Nobelium-Atome (Ionen), die der Teilchenbeschleuniger an der GSI durch Beschuss einer Bleifolie mit Kalziumionen erzeugte und mit einer Geschwindigkeit von einigen Tausenden von Kilometern pro Sekunde ausspuckte, mithilfe einer Gaszelle abgebremst und anschließend in eine so genannte Penning-Falle eingeschleust.
Letztere zwingt die Nobelium-Ionen mithilfe elektrischer und magnetischer Kraftfelder auf eine Schraubenbahn, die sich zu einem Ring schließt wie eine Schlange, die sich in den Schwanz beißt. Für die Kreisbewegung eines Ions auf der Bahn ergeben sich damit zwei Frequenzen: eine für die Bewegung in der Schraube und eine für die Bewegung in dem Ring, den die Schraube formt. Die Summe der beiden Frequenzen der überlagerten Kreisbewegungen hängt über eine simple Formel mit der Masse des Atomkernes zusammen. Die Frequenzsumme bestimmten die Wissenschaftler, indem sie in die Penning-Falle elektromagnetische Wellen geeigneter Frequenz einstrahlten. Wenn die Frequenz der Strahlung der Frequenzsumme entspricht, gewinnt das Ion an Bewegungsenergie und erreicht beim Auswurf aus der Falle einen Nachweisdetektor schneller. Dieser Detektor unterscheidet die schnellen von den langsamen Atomkernen und so lässt sich die Frequenzsumme und damit die Masse bestimmen.
Diese Methode war bislang nicht für künstlich im Labor hergestellte superschwere Elemente geeignet. Denn sie benötigt einige 100 Atomkerne des zu wiegenden Elementes innerhalb von wenigen Stunden, weil sie sonst keine präzisen Werte liefert. Teilchenbeschleuniger erzeugen zwar etwa ein Nobelium-Ion pro Sekunde, was im Prinzip ausreicht. Doch beim Abbremsen gingen bislang fast alle Atomkerne verloren, etwa indem sie sich an den Wänden der Zelle festsetzen.
Die Abbremstechnik wurde in den letzten Jahren soweit verbessert, dass rund zwei Prozent der Atomkerne in die Penning-Falle gelangen. Dazu verwendeten die Forscher eine Gaszelle gefüllt mit Helium-Gas. Denn die Helium-Atome geben ihre Elektronen nicht an die Nobelium-Ionen ab, sodass diese ihre elektrische Ladung behalten. Ringförmig angeordnete Elektroden erzeugten außerdem ein elektrisches Kraftfeld, das die Ionen von den Wänden der Gaszelle fernhält. Die Kniffe ermöglichten es, rund ein- bis dreihundert Nobelium-Ionen innerhalb weniger Stunden in die Penning-Falle zu schleusen und eine hochpräzise Messung zu machen.
Die Präzisionswaage für superschwere Elemente hat noch ein weiteres wichtiges potenzielles Einsatzgebiet. Mit ihr wird es überhaupt erst möglich, langlebige superschwere Elemente von der Insel der Stabilität nachzuweisen, sollten sie im Labor entstehen. "Bislang werden superschwere Elemente indirekt über ihren radioaktiven Zerfall nachgewiesen", erklärt Blaum. Aber stabile Kerne zerfallen nicht beziehungsweise nur sehr langsam. Deshalb kann man sie auch nur schwer über ihren radioaktiven Zerfall nachweisen.
Sie zu wiegen, wäre ein geeigneter direkter Nachweis. Allerdings geht das mit der aktuellen Version der Präzisionswaage noch nicht. Denn je schwerer die erzeugten Kerne, desto seltener entstehen sie im Teilchenbeschleuniger. Von dem jüngst von der GSI getauften Element Copernicum (Ordnungszahl 112) stellt ein Teilchenbeschleuniger nur etwa ein Partikel pro Woche her.
Derzeit arbeiten die Forscher des Max-Planck-Instituts für Kernphysik um Blaum an zwei Neuerungen, um das Wiegen von Atomen zu ermöglichen, die nach seltenerer erzeugt werden als das Nobelium. Erstens entwickeln sie zusammen mit Kollegen aus München eine so genannte kryogene Gaszelle, die bei minus 200 Grad Celsius betrieben werden soll. Bei dieser Kälte ist zwar das Helium noch gasförmig. Aber Wasserdampf, der immer vorhanden ist und viele Nobelium-Ionen elektrisch neutralisiert, sodass sie in der Penning-Falle nicht festgehalten werden können, friert aus und wird so unschädlich gemacht. "Die neue Gaszelle könnte deutlich mehr Ionen für die Messung verfügbar machen als die aktuelle", sagt Blaum. Sie soll noch in diesem Jahr für das Wägen weiterer Kerne eingesetzt werden.
Die zweite Neuerung ist eine weiterentwickelte Version des Nachweissystems der Ionen in der Penning-Falle, die Präzisionswägung mit einem einzigen Atom der zu wiegenden Substanz bewerkstelligen kann. Bei dieser Methode muss das Ion nicht aus der Penning-Falle geschleudert werden, um seine Frequenz zu messen, daher "verbraucht" sie die Ionen nicht. Die Frequenz wird vielmehr durch Messung des winzigen elektrischen Stromes bestimmt, der beim Kreisen des Ions entsteht. "Somit würden sich auch superschwere Ionen wiegen lassen, die nur alle paar Stunden oder Tage entstehen", sagt Blaum und hofft, dass diese Waage in wenigen Jahren fertig sein wird.
Trotz des jetzigen Fortschritts und den vielversprechenden Weiterentwicklungen der Atomwaage wagt Blaum keine Prognose, wann die Insel der Stabilität erreicht werden wird. Die seefahrenden Entdecker vergangener Jahrhunderte hatten es nicht leichter. Dennoch haben sie die Weltkarte nach und nach vervollständigt.
Pressemitteilung der Universität Greifswald:
Auf dem Weg zur Insel der Stabilität im Nordosten der Nuklidkarte der Atomkerne
Unter Mitwirkung Greifswalder Physiker ist es am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt mit ersten direkten Massenmessungen gelungen, in ein schwer zugängliches Gebiet der Nuklidkarte der Atome vorzustoßen. Darüber wird in der aktuellen Ausgabe der international renommierten Wissenschaftszeitschrift Nature berichtet.
In dem Artikel werden Experimente vorgestellt, die einen Meilenstein auf dem Weg zur Insel der Stabilität darstellen. Damit bezeichnet man eine bestimmte Kombination der Kernbausteine Protonen und Neutronen bei neuen superschweren Atomkernen. Sie wurde bisher nur vorhergesagt. Wie der Chemiker im Periodensystem der Elemente, so findet der Kernphysiker Orientierung in der Nuklidkarte der Atomkerne.
Die Experimente einer internationalen Arbeitsgruppe unter Beteiligung von Professor Lutz Schweikhard von der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald und seinen Mitarbeitern Dr. Gerrit Marx und Dipl.-Phys. Christian Droese haben nun Licht ins Dunkel des schwer zugänglichen Gebietes der Nuklidkarte der Atome gebracht. Dabei wurde direkt zum Element Nobelium (Ordnungszahl 102) vorgestoßen. Bei den Messungen handelt es sich um die ersten direkten Massenbestimmungen von Atomkernen jenseits von Uran (Ordnungszahl 92). Die Masse der Atomkerne ist eine Schlüsselgröße zur Charakterisierung ihrer Stabilität, denn in ihr bündeln sich alle Bindungskräfte. Mit Einsteins berühmter Formel E = mc2 ergibt sich aus dem Massendefekt - d. h. der Masse, die den Kernen gegenüber der Summe der Protonen- und Neutronenmassen fehlt - ein definiertes Maß der Stabilität.
Die nun experimentell ermittelten Werte liefern Informationen über die untersuchten Kerne und ermöglichen die genauere Vorhersage der Insel der Stabilität der superschweren Kerne. Bisher konnten die Kernmassen nur indirekt über die Bestimmung der beim Kernzerfall frei werdenden Energie bestimmt werden. Besser ist die direkte Messung, die jetzt dem internationalen Team gelungen ist.
Die Kerne für dieses Experiment werden mit einem Teilchenbeschleuniger an der GSI erzeugt. Dort wurden Nobelium-Atome hergestellt, die schließlich in einer sogenannten Penning-Falle gezielt vermessen wurden. Prof. Schweikhard und seine Mitarbeiter sind Spezialisten für diese Ionenfallen, die sie auch am Institut für Physik der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald für Untersuchungen an Nanoteilchen einsetzen.
Die Massen der drei Nobeliumisotope No-252, No-253 und No-254 wurden so auf fünf Millionstel Prozent bestimmt, dies entspricht zwei Metern im Vergleich zum Erdumfang von vierzigtausend Kilometern.
Allerdings gibt es auch nach diesen wissenschaftlichen Erfolgen noch viele ungeklärte Fragen. In Kürze will der Forschungsverbund, in dem die Greifswalder Physiker Hand in Hand mit Kollegen aus Darmstadt, Gießen, Heidelberg, München sowie aus Finnland, Italien, Russland und Spanien arbeiten, die nächstschwereren Elemente jenseits von Nobelium angehen. Die Greifswalder Grundlagenuntersuchungen zur Struktur der schwersten Atomkerne werden vom Programm Forschung und Entwicklung der GSI sowie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung finanziert. Die Ergebnisse der Grundlagenforschung zu Atomkernen werden unter anderem von Wissenschaftlern und Entwicklern genutzt, die sich mit Spurenanalyse, Materialforschung und medizinischen Anwendungen befassen.
Pressemitteilung der GSI:
Auf dem Weg zur Entdeckung neuer langlebiger Elemente
Erstmalig Einsatz von "Ionen-Fallen" zur Untersuchung von schwersten Elementen.
Neben den auf der Erde natürlich vorkommenden 92 Elementen ist es Wissenschaftlern gelungen, noch über 20 weitere chemische Elemente zu entdecken. Sechs davon wurden beim GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt entdeckt. Sie konnten künstlich an Teilchenbeschleunigern hergestellt werden. Die künstlichen Elemente sind alle sehr kurzlebig, das heißt sie zerfallen nach Bruchteilen von Sekunden. Wissenschaftler sagen jedoch noch schwerere Elemente voraus, die sehr langlebig sind, das heißt möglicherweise erst nach mehreren Jahren zerfallen. Sie werden als Insel der Stabilität bezeichnet. Am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt haben Wissenschaftler nun eine Messapparatur entwickelt und aufgebaut, mit der die Entdeckung solcher langlebiger Elemente erstmals möglich werden könnte.
Einem internationalen Team von Wissenschaftlern um Michael Block gelang es, Atome des Elements 102, Nobelium, und damit erstmals überhaupt ein so genanntes superschweres Element in einer Ionen-Falle einzufangen. Dadurch konnten sie die Masse von Nobelium-Atomen mit nie dagewesener Genauigkeit messen. Die Masse ist eine grundlegende Eigenschaft von Atomen, aus der sich unmittelbar die Bindungsenergie, die das Atom zusammenhält, berechnen lässt. Daraus wiederum lässt sich seine Lebensdauer bzw. Stabilität ermitteln. Der eigentliche Zerfall muss nicht wie bei früheren Methoden abgewartet werden. Deshalb können in einer Ionen-Falle Elemente mit extrem langen Lebensdauern nachgewiesen werden. Auf längere Sicht erhoffen sich die Wissenschaftler bis zur Insel der Stabilität, die im Bereich um die Elemente 114 bis 120 vermutet wird, vorzudringen.
"Die präzise Messung der Masse von Nobelium mit unserem neuen Messaufbau Shiptrap war ein erster erfolgreicher Schritt. Unser Ziel ist es nun, den Messaufbau weiter zu verfeinern, sodass wir zu immer schwereren Elementen vorstoßen können, um vielleicht eines Tages die Insel der Stabilität zu erreichen", sagt Michael Block, der Leiter der Experimentiergruppe am GSI Helmholtzzentrum.
Für seine Messungen baute das Team um Michael Block eine komplexe Apparatur, die Ionen-Falle Shiptrap, auf und kombinierte sie mit dem Geschwindigkeitsfilter Ship, mit dem bei GSI bereits sechs kurzlebige Elemente entdeckt werden konnten. Das Nobelium erzeugten sie, indem sie eine Blei-Folie mit Kalzium-Ionen aus dem GSI-Beschleuniger beschossen. Danach trennten sie das erzeugte Nobelium mit Ship von anderen Reaktionsprodukten ab. In der Shiptrap-Apparatur wurde das Nobelium zuerst in einer mit Gas gefüllten Zelle abgebremst und anschließend in einer so genannten Penning-Falle als Ion eingefangen. Durch Magnetfelder in der Falle gehalten, kreiste das Nobelium-Ion auf einer winzigen Spiralbahn mit einer bestimmten Frequenz, aus der sich direkt die Masse berechnen ließ. Die Massenbestimmung war bis auf fünf Millionstel Prozent genau.
Die Masse und damit die Bindungsenergie kann somit viel genauer als bisher und erstmals direkt, also ohne Zuhilfenahme von theoretischen Annahmen, bestimmt werden.
An den Experimenten beteiligt waren neben GSI das Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg, die Universitäten Gießen, Greifswald, Heidelberg, Mainz, München, Padua (Italien), Jyväskylä (Finnland) und Granada (Spanien) sowie das PNPI (Petersburg Nuclear Physics Institute) und das JINR (Joint Institute for Nuclear Research) in Russland.
Zusatzinformationen:
M. Block et al.:
Direct mass measurements above uranium bridge the gap to the island of stability.
In: Nature; 463, 785-788, 11. Februar 2010, DOI 10.1038/nature08774
Georg Bollen:
Nuclear physics: Weighing up the superheavies.
In: Nature; 463, 740-741, 11. Februar 2010, DOI 10.1038/463740a
Quelle: Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.
Aktualisiert am 14.02.2010.
Permalink: https://www.internetchemie.info/news/2010/feb10/stabilitaetsinsel-der-superschweren-elemente.php
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