Erst vor kurzem erregte die Erzeugung der bislang schwersten Elemente 110, 111 und 112 großes Aufsehen (Spektrum der Wissenschaft, April 1996, Seite 17). Nun beschreiben zwei der unmittelbar daran beteiligten Forscher von der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt ausführlich die Geschichte, die Hintergründe und die Ergebnisse auch der eigenen Bemühungen, und dies auf überaus informative, verständliche und sogar spannende Weise.

Gottfried Münzenberg ist Professor für Physik an der Universität Gießen, Matthias Schädel Leiter der Arbeitsgruppe Kernchemie bei der GSI. Beide sind führend auf dem Gebiet der Synthese schwerer Elemente.

Die Autoren dokumentieren die Geschichte der Erzeugung von Elementen jenseits des Urans von den ersten Versuchen, aus denen zunächst nicht ein neues Element, sondern die Entdeckung der Kernspaltung hervorging, bis hin zu dem gegenwärtigen Unternehmen, die Grenzen der Kernstabilität und damit des Periodensystems auszuloten.

Die erste künstliche Umwandlung eines Elements gelang 1919 bei den berühmt gewordenen Streuexperimenten unter Leitung von Ernest Rutherford (1871 bis 1937). Mit der Entdeckung der künstlichen Radioaktivität und des Neutrons war dann der Weg frei für systematische Untersuchungen zur künstlichen Elementumwandlung. Es war Enrico Fermi (1901 bis 1954), der als erster 1934 versuchte, mit Neutronenbestrahlung von Uran sogenannte Transurane herzustellen. Die dabei beobachtete Radioaktivität stammte jedoch von leichteren Spaltprodukten, wie Ende 1938 Otto Hahn (1879 bis 1968) und Fritz Straßmann (1902 bis 1980) durch Experimente und wenig später Lise Meitner (1878 bis 1968) und Otto R. Frisch (1904 bis 1979) durch deren theoretische Erklärung zeigten. Damit war die Kernspaltung entdeckt, was den Weg zur Atombombe eröffnete. Ein Jahr später konnte schließlich auch nachgewiesen werden, daß sich tatsächlich schwerere Elemente – zunächst Neptunium und Plutonium – über Neutronenaktivierung von Uran erzeugen lassen.

Der chemische Nachweis für die neuen Elemente war damals vor allem deshalb schwierig zu führen, weil noch nicht klar war, daß man es mit einer neuen Gruppe von chemischen Elementen – ähnlich den Lanthanoiden – zu tun hatte. Weiterer Fortschritt wurde erst dadurch möglich, daß Glenn T. Seaborg von der Universität von Kalifornien in Berkeley die neue Gruppe der Actinoiden postulierte. Weitere Mitglieder dieser Gruppe, vom Americium (1944) bis hin zum Lawrencium (1961), wurden mit immer empfindlicheren physikalischen und chemischen Nachweismethoden gefunden.

Zur Produktion der neuen Elemente ließ man Deuteronen, Alphateilchen und später auch leichtere Kerne wie Bor oder Kohlenstoff in einer ersten Generation von Schwerionenbeschleunigern auf schwere, in Reaktoren erbrütete Atomkerne prallen. Zwei Mitglieder der Actinoiden, Einsteinium und Fermium, fanden sich 1953 überraschenderweise im Fallout der ersten Wasserstoffbomben.

Das Buch ist weitgehend chronologisch gegliedert. Nach einer allgemeinen Einführung in die Physik der schweren Kerne und einer profunden Abhandlung zur Geschichte des Elementbegriffs verfolgen die einzelnen Kapitel Element für Element deren Entdeckungsgeschichte zu immer höheren Ordnungszahlen. Viele wissenswerte Details oder für das Verständnis erforderliche Hintergrundinformationen fließen nebenher mit ein oder werden in eigenen Kapiteln behandelt, wie die Beschleunigertechnologie oder die Theorie zur Kernstabilität. Das Buch richtet sich, so die Autoren, an möglichst viele Leser, den Naturwissenschaftler ebenso wie den interessierten Laien.

Der Schwerpunkt liegt bei aller historischen Bedeutung der Actinoiden auf den neuesten Experimenten zur Erzeugung der sogenannten superschweren Elemente. Dazu haben die Autoren selber wichtige Beiträge geleistet.

Mit der Schalenstruktur der Atomkerne, vergleichbar etwa mit derjenigen der Elektronenhülle, konnte man 1949 erstmals erklären, warum gewisse Kerne bei sogenannten magischen Zahlen von Protonen oder Neutronen besonders stabil sind: Bei diesen Anzahlen sind sämtliche überhaupt besetzten Schalen vollständig gefüllt. Die theoretische Extrapolation zeigte nun in den sechziger Jahren, daß es stabile Kerne auch bei den magischen Zahlen 114 für die Protonen und 184 für die Neutronen – also weit jenseits der bekannten Nuklide – geben sollte. Seither war es das Fernziel der Forschung, diese sogenannte Insel der Stabilität zu erreichen (die nach neueren Erkenntnissen gar keine Insel ist; vergleiche Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1996, Seite 54). Mit leichten Projektilen ist dies nicht mehr zu bewerkstelligen; man muß schwere Atomkerne beschleunigen – im Prinzip solche bis hin zum Uran.

Die Synthese neuer Elemente wird mit zunehmender Ordungszahl immer schwieriger. Zum einen werden die Bildungsquerschnitte drastisch kleiner. Zum anderen zerfallen die wenigen entstehenden Atomkerne immer schneller, weil die abstoßende Coulombkraft der Protonen die Oberhand über die anziehende Kernkraft der Nukleonen gewinnt – meistens, bevor der Kern sich überhaupt stabilisiert hat. Deshalb sind extrem empfindliche und schnelle Meßapparaturen erforderlich. Ab Element 109 wird im Mittel nur noch ein einziges Atom pro Tag gebildet, das aus einer geradezu unglaublichen Menge von Untergrundreaktionen herauszufiltern und zu identifizieren ist.

Der gesuchte Kern gibt sich dadurch zu erkennen, daß er sich Schritt für Schritt in leichtere, vertraute Nuklide verwandelt und dabei eine charakteristische Signatur korrelierter Alphazerfälle hinterläßt. So wurden Ende 1994 die Elemente 110 und 111 sowie 1996 auch das Element 112 in Darmstadt entdeckt. Die spannende Darstellung der Experimente endet bei 111 und zeigt, daß sich das Forschungsgebiet in einer aufregenden Phase befindet.

So sehr die Entdeckung eines neuen Elements jedesmal eine breitere Öffentlichkeit interessierte – Aufsehen erregten auch die häßlichen Auseinandersetzungen konkurrierender Forschergruppen um die Priorität bei der Namensgebung. Die Autoren beleuchten die Hintergründe mehrerer Fälle aus ihrer heutigen Sicht. Die historische Distanz verdeutlicht, wie verfrüht der Anspruch auf die Entdeckung mitunter wohl doch gewesen ist.

"Moderne Alchemie" ist eine gelungene, gut verständliche Darstellung. Auf technische Details haben Münzenberg und Schädel weitgehend verzichtet zugunsten einer umfassenden Einordnung des speziellen Forschungszweiges in den allgemeinen Kontext der modernen Naturwissenschaft.



Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 1997, Seite 121
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