Vor 50 Jahren formulierten die theoretischen Physiker Maria Goeppert-Mayer (1906-1972) am Argonne National Laboratory und Otto Haxel, Hans D. Jensen und Hans Eduard Suess an der Universität Heidelberg unabhängig voneinander das Schalenmodell der Atomkerne. Danach besetzen die beiden Arten von Kernteilchen (Nukleonen) – nämlich Protonen und Neutronen – jeweils gestaffelte Energie-"Schalen", die bei bestimmten "magischen" Nukleonenzahlen gerade gefüllt sind. Ein Kern ist um so stabiler, je näher seine Protonen- oder Neutronenzahl bei einem solchen magischen Wert liegt. Der günstigste Fall tritt ein, wenn – wie beim Blei-208 mit 82 Protonen und 126 Neutronen – beide Nukleonenarten jeweils eine magische Zahl erreichen.

Auch die Elemente im oberen Grenzbereich des Periodensystems profitieren von der Schalenstabilisierung. Ihr ist es zu verdanken, daß die schwersten Kerne im allgemeinen nicht spontan in zwei etwa gleich große Bruchstücke zerplatzen, obwohl wegen ihrer hohen Protonenzahl die abstoßende elektrostatische Kraft größer ist als die anziehende Kernkraft; statt dessen sind sie relativ beständig und zerfallen nur schrittweise durch Aussendung von vergleichsweise leichten Helium-Kernen (Alpha-Teilchen). Die Verifizierung des Schalenmodells in diesem Grenzbereich war auch ein wesentliches Motiv für die Synthese immer schwererer künstlicher Elemente, die in den letzten 30 Jahren mit großem Erfolg an den Beschleunigerlaboratorien in Berkeley (Kalifornien), Dubna (Rußland) und Darmstadt betrieben wurde.

Als Fernziel winkte dabei eine besondere Vorhersage des Schalenmodells. Danach erhebt sich weit hinter dem Horizont des bekannten Periodensystems eine "Insel der Stabilität". Während die bisher erzeugten künstlichen Transurane mit steigender Atomzahl immer schneller zerfallen, sollte bei noch schwereren Kernen schließlich wieder eine magische Zahl erreicht werden, welche die Halbwertszeiten, wie man hoffte, von Millisekunden möglicherweise auf Tage oder gar Jahre hochschnellen ließe. Visionäre träumten bereits von unbekannten neuen Werkstoffen mit unerhörten Eigenschaften. Auf der Basis von Schalenmodell-Rechnungen galt seit längerem das Element 114 mit der Neutronenzahl 184 als guter Kandidat für eine besonders stabile Konfiguration mit vollständig gefüllter Protonen- und Neutronenschale. Anderen Rechnungen zufolge ist die Protonenschale dagegen möglicherweise erst beim Element 120 voll besetzt.

Der Weg zu diesem Ziel erwies sich indes als lang und beschwerlich. Bis vor kurzem schien es sogar, als sollte die Suche vergeblich bleiben und die verheißene Insel der Stabilität sich als Fata Morgana herausstellen – oder höchstens als flaches submarines Plateau am Rande des Kontinents der bekannten Elemente. Doch nun hat die völlig überraschende Synthese von möglicherweise gleich drei neuen superschweren Elementen, von denen eines eine Halbwertszeit von immerhin 30 Sekunden haben soll, die alten Hoffnungen neu belebt.


Heiße kontra kalte Fusion



Um künstliche schwere Elemente zu erzeugen, bringen Physiker in einem Teilchenbeschleuniger Ionen auf hohe Energien und schießen sie auf die Kerne eines fest installierten Targets – in der Hoffnung, daß sie mit diesen zu neuen Kernen verschmelzen. Damit das gelingt, muß das positiv geladene Projektil energiereich genug sein, um die elektrische Abstoßung durch die positive Ladung des Targetkerns zu überwinden. Andererseits darf seine Energie aber auch nicht zu groß sein; sonst wird der entstehende Verbundkern, der die Energie des Geschosses aufnimmt, so stark zu Schwingungen angeregt, daß er gleich wieder zerplatzt.

Zur Synthese der leichteren Transurane wie Dubnium (Ordnungszahl Z=105) und Seaborgium (Z=106) beschoß man schwere Elemente wie Californium (Z=98) oder Plutonium (Z=94) mit relativ leichten Atomen wie Stickstoff (Z=7) oder Magnesium (Z=12). Bei einer derart asymmetrischen Masseverteilung besteht eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit, daß Projektil und Target die Coulomb-Barriere überwinden. Allerdings ist das primäre Verschmelzungsprodukt dabei sehr stark angeregt und hat eine entsprechend hohe Temperatur, weshalb man auch von heißer Fusion spricht. Wenn sich der Verbundkern nicht schnell durch Abdampfen von Neutronen genügend abkühlen kann, zerplatzt er sofort wieder.

Als Alternative wurde deshalb 1973 am Kernforschungsinstitut in Dubna die "kalte Fusion" entwickelt. Dabei ist der Massenunterschied zwischen Projektil und Target kleiner: Mittelschwere Kerne (wie Eisen) werden auf relativ schwere (wie Blei oder Wismut) geschossen. Dies verringert zwar die Fusionswahrscheinlichkeit; aber das beim Verschmelzen entstehende Kernsystem heizt sich nur wenig auf, da viel Energie dafür aufgebraucht wird, die starken Bindungen zwischen den Nukleonen der beiden sehr stabilen Fusionspartner umzuordnen. Dadurch muß der primäre Verbundkern nur ein bis zwei Neutronen abdampfen, um sich abzuregen und seinen Grundzustand zu erreichen.

Mit diesem Verfahren konnten Peter Armbruster und seine Kollegen bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) zwischen 1981 und 1996 der Reihe nach die Elemente mit den Ordnungszahlen 107 bis 112 synthetisieren. Da jeweils nur wenige Kerne gebildet wurden, die außerdem in Sekundenbruchteilen wieder unter Aussendung von Alpha-Teilchen zerfielen, war ihr Nachweis schwierig. Die Darmstädter Forscher nutzten dabei aus, daß für die (gleichfalls nur kurzlebigen) primären Zerfallsprodukte die Zerfallskette schon bekannt war. Zur Identifikation eines neuen Elementes dienten deshalb lange Serien von zeitlich korrelierten Alpha-Zerfällen im Anschluß an das Auftreffen des neuen Kerns auf einen ortsempfindlichen Halbleiterdetektor.

Vom Element 112, dem schwersten bislang bekannten, konnten zwei Kerne mit je 165 Neutronen nachgewiesen werden; deren Halbwertszeit beträgt 280 Mikrosekunden. Der Wirkungsquerschnitt – ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, daß die kalte Fusion stattfindet – war mit 1 Picobarn (10-36 Quadratzentimeter) extrem klein: 3×1018 Ionen mußten auf das Target treffen, um einen Kern zu erzeugen. Das bedeutete Erzeugungsraten von etwa einem Atom pro Monat.

Da die Relation zwischen Schalenstabilisierung und Coulomb-Abstoßung mit steigender Ordnungszahl der durch kalte Fusion erzeugten Elemente immer schlechter wird, sinken die Erzeugungsquerschnitte exponentiell. Um überhaupt eine Chance zu haben, Elemente mit höherer Ordnungszahl als 112 zu synthetisieren, muß man deshalb die optimale Einschußenergie kennen. Aus diesem Grund wollten die Wissenschaftler der GSI zunächst die Bildungswahrscheinlichkeit für die leichteren Elemente 109 bis 112 in Abhängigkeit von der Energie genauer untersuchen, ehe sie sich an Versuche zur Herstellung der Elemente 113 und 114 wagten.

Eine direkte Erzeugung noch schwererer Kerne mittels kalter Fusion hielten die Darmstädter Forscher allerdings für aussichtslos. Schließlich vermutete man die Insel der Stabilität anhand der Schalenmodellrechnungen bei Z=114; wenn die Abschätzungen dafür bereits derart kleine Wirkungsquerschnitte ergaben, machte es wenig Sinn, bei noch höheren Ordnungszahlen zu suchen.

Vor kurzem kam allerdings der theoretische Physiker Robert Smolanczuk vom Soltan-Institut für Nuklearstudien in Warschau (Polen) zu optimistischeren Prognosen. Aus theoretischen Überlegungen und Extrapolationen vorhandener Daten errechnete er einen um mehrere Zehnerpotenzen höheren Wirkungsquerschnitt für die Bildung des Elements 118 durch kalte Fusion von Blei-208 und Krypton-86, dem neutronenreichsten stabilen Isotop dieses Edelgases. Dabei müßte das Krypton-Projektil allerdings auf höhere Energien beschleunigt werden, als Theoretiker bisher in Erwägung gezogen hatten.

Diese Prognose veranlaßte Victor Ninov, der früher Mitglied der Darmstädter Gruppe war, sowie seine Kollegen um Ken Gregorich vom Lawrence-Berkeley-Nationallaboratorium (LBNL) in Kalifornien und von der Oregon State University in Corvallis zu entsprechenden Versuchen am 88-Inch-Zyklotron in Berkeley. Dieses Gerät stammt aus dem Jahre 1961, und sein Design geht noch auf den Gründer des Laboratoriums und Erfinder des Zyklotrons, Ernest O. Lawrence (1901-1958), zurück. Nach zahlreichen Verbesserungen wie der Einbindung von Elektron-Zyklotronresonanz-Ionenquellen lassen sich damit hochgeladene Ionen von Elementen bis zum Uran beschleunigen. Dieses Gerät liefert derzeit als einziger Beschleuniger in den USA genügend hohe Strahlintensitäten für die Synthese superschwerer Elemente.


Kühner Sprung



Für das jetzige Experiment wurde das Krypton-86-Isotop auf eine Energie von 449 Millionen Elektronenvolt gebracht. Das rotierende Targetrad bestückten Ninov und seine Kollegen mit neun Blei-208-Folien, die das GSI-Team nicht mehr benötigte und den Kollegen am LBNL zur Verfügung gestellt hatte.

Für die Trennung der Fusions- von anderen Kollisionsprodukten war der Berkeley-gasgefüllte-Separator (BGS) neu konstruiert und Mitte 1998 in Betrieb genommen worden (Bild auf Seite 10). Im starken Magnetfeld der heliumgefüllten Anlage werden die schwersten erzeugten Elemente fokussiert, abgetrennt und auf einen Silicium-Streifenzähler gelenkt. In dessen Signalen suchen Computer nach korrelierten Alpha-Zerfallsketten zum Nachweis neuer Elemente.

Zur großen Überraschung aller Fachleute weltweit und sogar der beteiligten Wissenschaftler selbst war die Suche offenbar auf Anhieb erfolgreich. In nur elf Experimentiertagen wurden drei Zerfallsketten mit jeweils sechs aufeinanderfolgenden Alpha-Zerfällen ausgehend vom Element 118 (175 Neutronen) beobachtet (siehe Kasten).

Die Zerfälle verlaufen in einer bisher unbekannten Region des Periodensystems: Die Elemente 118 und 116 sind völlig neu, und die Elemente 112, 110, 108 und 106 sind zwar bekannt, aber die jetzt beobachteten Isotope gab es vorher noch nicht (zu Element 114 siehe unten). Aus diesem Grund steht noch nicht mit letzter Sicherheit fest, daß das Isotop 293118 – die hochgestellte Zahl bezeichnet die Massenzahl, also die Summe der Protonen (118) und Neutronen (175) im Kern – der Ausgangspunkt der Zerfallskette ist. Andere Interpretationen scheiden jedoch aus energetischen Gründen aus, und die Energien der gemessenen Alpha-Teilchen stimmen gut mit der theoretischen Vorhersage überein, die den Anstoß zu dem Experiment gegeben hatte. Deshalb bestehen in Fachkreisen wenig Zweifel an der korrekten Identifikation von Element 118. Außerdem sollte es in nächster Zeit möglich sein, die Entdeckung bei der GSI mit dem hochentwickelten Filtersystem SHIP (Separator for Heavy Ion Reaction Products) zu verifizieren.

Der Wirkungsquerschnitt der Fusion von Blei-208 und Krypton-86 ist mit 2,6 Picobarn mehr als doppelt so groß wie bei Element 112 – ein Ergebnis, das alle Fachleute völlig verblüfft. Auch die Halbwertszeit ist ungewöhnlich lang: Sie beträgt mit 120 Mikrosekunden etwa die Hälfte derjenigen von Element 112 – was sehr viel mehr ist, als bei exponentieller Abnahme mit der Ordnungszahl zu erwarten wäre. Dies läßt vermuten, daß das Element 118 offenbar am Rand der gesuchten Insel der Stabilität liegt. Zugleich nährt es Spekulationen, daß diese Insel möglicherweise bei noch höheren Ordnungszahlen zu suchen ist – beispielsweise bei dem schon genannten Wert von 120.

Aber nach jüngsten Versuchen in Dubna, bei denen erneut die heiße Fusion ins Spiel gebracht wurde, ist Z=114 noch keineswegs aus dem Rennen. Sollten sich die Ergebnisse der russischen Experimente bestätigen, sprächen sie dafür, daß die Stabilitätsinsel bei dieser Ordnungszahl wenn schon nicht den höchsten Gipfel, dann doch zumindest eine bedeutende Erhebung hat. Bereits Anfang des Jahres berichtete Juri Oganesjan aus Dubna über die gelungene Synthese des Elements 289114 durch Beschuß eines Plutonium-244-Targets mit einem Calcium-48-Strahl. Dies war ein äußerst schwieriges Experiment, weil Plutonium extrem giftig und Calcium-48 ein sehr seltenes Isotop ist, das erst durch komplizierte Trennverfahren so angereichert werden konnte, daß der Strahl die erforderliche Intensität erreichte. Dafür lag die berichtete Halbwertszeit mit 30,4 Sekunden deutlich über derjenigen aller bekannten künstlichen Kerne oberhalb der Ordnungszahl 106.

Wegen der Problematik der heißen Fusion waren die Bildungsraten allerdings extrem niedrig, so daß Oganesjans Gruppe über 40 Experimentiertage brauchte, um ein einziges Ereignis zu finden, das auf einen Kern mit der Ordnungszahl 114 hindeutete. Außerdem war die nachgewiesene Zerfallskette mit nur drei Gliedern relativ kurz. Bei der gefundenen Korrelation zwischen den drei Alpha-Zerfällen und der nachfolgenden Spaltung könnte es sich um ein zufälliges Zusammentreffen handeln. Deshalb wurde die Erfolgsmeldung von den Kollegen zunächst mit Skepsis aufgenommen, zumal es bis heute (Ende Juli) keine wissenschaftliche Veröffentlichung darüber gibt (ein Manuskript ist bei Physical Review Letters eingereicht).

Ein weiteres Experiment in Dubna hat dem Ergebnis nun aber mehr Glaubwürdigkeit verliehen. Durch heiße Fusion von Plutonium-242 erzeugten die russischen Forscher 287114 – ein anderes Isotop des Elements 114, das statt 175 nur 173 Neutronen enthält. Dessen Halbwertszeit von 1,32 Sekunden und sein Zerfallsverhalten entsprechen genau dem, was sich anhand des zunächst erzeugten schwereren und stabileren Kerns erwarten ließ. Auch das in der Zerfallskette von Element 118 auftauchende 285114 mit noch einmal zwei Neutronen weniger und einer Halbwertszeit im Bereich von Millisekunden paßt ins Bild.

Demnach könnte das Element 114 sehr wohl einen Gipfel auf der Insel der Stabilität darstellen, wenn nur die Neutronenzahl dicht genug an den Idealwert von 184 herankommt. Zugleich zeigt sich ein großes Problem der modernen Alchimisten: die mangelnde Neutronenzahl ihrer Fusionsprodukte. Zur Abschirmung der sich elektrostatisch abstoßenden Protonen im Kern nimmt die Menge der Neutronen mit steigender Ordnungszahl überproportional zu; deshalb erreicht die Summe der Neutronen in den beiden Partnern einer Fusionsreaktion nie den hohen Wert, der für das Fusionsprodukt ideal wäre.

Wenn sich die jüngsten Ergebnisse aus Berkeley und Dubna bestätigen, wird ein neuer Run auf die Insel der Stabilität einsetzen. Mit ähnlichen Reaktionen können dann andere Elemente und Isotope erzeugt und ihre nuklearen und – sofern die Halbwertszeiten groß genug sind – chemischen Eigenschaften bestimmt werden: ein umfangreiches und aufregendes Forschungsprogramm, das die Beschleunigerlaboratorien noch lange beschäftigen wird.

Eine Paradoxie ist dabei freilich unübersehbar: Zur Fahndung nach besonders stabilen superschweren Kernen dient ein Netz – der Nachweis über korrelierte Zerfallsketten –, das nur instabile Elemente einfängt. Spätestens wenn die Halbwertszeiten auf die Größenordnung von Tagen ansteigen, müssen sich die Kernforscher etwas Neues einfallen lassen. Sonst könnte es womöglich passieren, daß das ersehnte Superelement erzeugt wird – und keiner merkt es


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1999, Seite 10
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