Kernphysik: Auf der Reise zur Insel der Stabilität
Blei ist schwer. Beschießt man es allerdings mit Kalzium-Atomen, kann es noch schwerer werden - sogar superschwer. Dummerweise zerfällt das dabei entstehende neue Element innerhalb kurzer Zeit. Einigen Physikern reicht diese Gelegenheit dennoch aus, um einen Blick hinein zu werfen und wertvolle Erkenntnisse über die Welt der Riesenatome zu gewinnen.
© Richard Zinken (Ausschnitt)
Die Insel der Stabilität liegt nicht etwa im Pazifik, sondern im Periodensystem der Elemente – irgendwo im weitgehend unerforschten Gebiet der künstlichen, superschweren Elemente. In deren übergewichtigen Atomkernen mit mehr als hundert Protonen sollte die abstoßende Kraft der positiv geladenen Teilchen eigentlich das unnatürliche Gebilde im Handumdrehen auseinander treiben. Eigentlich.
Doch wie der Name schon andeutet, erfreuen sich die Kerne im Bereich der Insel einer erstaunlichen Stabilität. Physiker rechnen bei den Insulanern mit Lebenserwartungen von Minuten bis hin zu Stunden, womöglich sogar mit einer regelrechten Dauerhaftigkeit. Zumindest in der Theorie, denn experimentell haben sie es bislang trotz gewaltiger Apparaturen noch nicht bis auf die Insel geschafft. Stellt sich die Frage: Wie untersucht man ein Eiland, das noch niemand zu Gesicht bekommen hat?
Ein Blick in den Aufbau der Kerne hilft hier weiter. In ihm ordnen sich Protonen und Neutronen in Schalen an, ganz ähnlich den Elektronen, die sich nur auf bestimmten Bahnen um den Kern bewegen. Aufgefüllt werden diese Schalen von innen nach außen, wobei auf jeder von ihnen Platz für eine genau abgezählte Teilchenzahl ist.
Ist so eine Schale voll besetzt, bringt das eine gewisse Stabilität mit sich. Und ist die äußerste Schale ausgebucht, macht das einen Kern insgesamt robuster als etwa seine Nachbarn im Periodensystem. Vertraute Beispiele dafür sind die Elemente Sauerstoff, Kalzium und Blei. Als "magische Zahlen" bezeichnen Wissenschaftler die richtigen Mengen von Protonen und Neutronen für solch einen stabilen Kern.
Diese magischen Zahlen lassen sich zum Glück ganz ohne Magie durch theoretische Berechnungen vorhersagen. Bei leichteren, natürlich vorkommenden Elementen stimmen die rechnerischen Prognosen auch tatsächlich gut mit den experimentellen Beobachtungen überein.
Beim Schritt in die künstliche Welt der überschweren Elemente fangen die Probleme allerdings an. Es mangelt schlicht an experimentellen Daten, und so bleibt den Theoretikern nichts anderes übrig, als von den bereits erforschten Atomen auf die Struktur der superschweren Kerne zu schließen.
Dummerweise ergeben dabei verschiedene Theorien unterschiedliche, einander widersprechende Aussagen. Während die magische Neutronenzahl einhellig abgesegnet wird, schwanken die Prophezeiungen bezüglich der Protonen zwischen 114, 120, 124 und 126. Welches Modell stimmt also? Und wie soll man diese Frage beantworten, ohne hinreichend schwere Kerne zu untersuchen?
Genau für dieses Problem liefert ein Forscherteam um Rolf-Dietmar Herzberg von der Universität Liverpool jetzt einen neuen Lösungsansatz. Statt die Insel selbst zu besuchen, machen die Wissenschaftler sich an die Konstruktion eines Fernglases. Nicht die ganz schweren Exemplare tummeln sich in ihren Apparaturen, sondern deren etwas weniger massige Verwandte – die unter bestimmten Vorraussetzungen Eigenschaften ihrer großen Brüder verraten.
Indem sie Kalzium auf Blei schossen und deren Kerne miteinander verschmelzen ließen, stellten sie das künstliche Element Nobelium her. 102 Protonen und 152 Neutronen nahmen darin auf den Schalen ihre Plätze ein. Ein Prozess, der nicht immer ohne Schwierigkeiten ablief. In manchen Fällen gelangten die Kernteilchen nicht ohne weiteres auf den niedrigsten freien Platz. Die Kerne waren angeregt und strahlten beim Übergang in den entspannten Grundzustand Gammastrahlen, Röntgenstrahlen sowie Elektronen aus der Atomhülle aus. Erst dann zerfiel das Element durch radioaktiven Alphazerfall.
Die genaue Analyse der freigesetzten Strahlung und Teilchen erlaubte es den Forschern jedoch, die Struktur des ursprünglich angeregten Kerns zu rekonstruieren. Dabei fanden sie Protonen in einer Schale, die ihnen in Nobelium eigentlich verwehrt ist. Denn diese Schale befindet sich so weit außen, dass sie erst in extrem schweren Elementen besetzt wird. Nur auf Grund des angeregten Zustands konnten Protonen im Nobelium kurzzeitig in jene Regionen gelangen – und damit ein wenig Inselluft der Stabilität schnuppern.
Um einen groben Blick auf die Verhältnisse stabiler Superelemente zu werfen, braucht man folglich keinen Urlaub dort zu buchen. Es genügt vorerst, weniger schwere Kerne als Kurzzeit-Touristen dorthin zu schicken. Zumindest eine kleine Testreihe für die verschiedenen Theorien über das Inselleben sollte sich so entwickeln lassen. Für ein Ferienprospekt dürfte das dann reichen.
Doch wie der Name schon andeutet, erfreuen sich die Kerne im Bereich der Insel einer erstaunlichen Stabilität. Physiker rechnen bei den Insulanern mit Lebenserwartungen von Minuten bis hin zu Stunden, womöglich sogar mit einer regelrechten Dauerhaftigkeit. Zumindest in der Theorie, denn experimentell haben sie es bislang trotz gewaltiger Apparaturen noch nicht bis auf die Insel geschafft. Stellt sich die Frage: Wie untersucht man ein Eiland, das noch niemand zu Gesicht bekommen hat?
Ein Blick in den Aufbau der Kerne hilft hier weiter. In ihm ordnen sich Protonen und Neutronen in Schalen an, ganz ähnlich den Elektronen, die sich nur auf bestimmten Bahnen um den Kern bewegen. Aufgefüllt werden diese Schalen von innen nach außen, wobei auf jeder von ihnen Platz für eine genau abgezählte Teilchenzahl ist.
Ist so eine Schale voll besetzt, bringt das eine gewisse Stabilität mit sich. Und ist die äußerste Schale ausgebucht, macht das einen Kern insgesamt robuster als etwa seine Nachbarn im Periodensystem. Vertraute Beispiele dafür sind die Elemente Sauerstoff, Kalzium und Blei. Als "magische Zahlen" bezeichnen Wissenschaftler die richtigen Mengen von Protonen und Neutronen für solch einen stabilen Kern.
Diese magischen Zahlen lassen sich zum Glück ganz ohne Magie durch theoretische Berechnungen vorhersagen. Bei leichteren, natürlich vorkommenden Elementen stimmen die rechnerischen Prognosen auch tatsächlich gut mit den experimentellen Beobachtungen überein.
Beim Schritt in die künstliche Welt der überschweren Elemente fangen die Probleme allerdings an. Es mangelt schlicht an experimentellen Daten, und so bleibt den Theoretikern nichts anderes übrig, als von den bereits erforschten Atomen auf die Struktur der superschweren Kerne zu schließen.
Dummerweise ergeben dabei verschiedene Theorien unterschiedliche, einander widersprechende Aussagen. Während die magische Neutronenzahl einhellig abgesegnet wird, schwanken die Prophezeiungen bezüglich der Protonen zwischen 114, 120, 124 und 126. Welches Modell stimmt also? Und wie soll man diese Frage beantworten, ohne hinreichend schwere Kerne zu untersuchen?
Genau für dieses Problem liefert ein Forscherteam um Rolf-Dietmar Herzberg von der Universität Liverpool jetzt einen neuen Lösungsansatz. Statt die Insel selbst zu besuchen, machen die Wissenschaftler sich an die Konstruktion eines Fernglases. Nicht die ganz schweren Exemplare tummeln sich in ihren Apparaturen, sondern deren etwas weniger massige Verwandte – die unter bestimmten Vorraussetzungen Eigenschaften ihrer großen Brüder verraten.
Indem sie Kalzium auf Blei schossen und deren Kerne miteinander verschmelzen ließen, stellten sie das künstliche Element Nobelium her. 102 Protonen und 152 Neutronen nahmen darin auf den Schalen ihre Plätze ein. Ein Prozess, der nicht immer ohne Schwierigkeiten ablief. In manchen Fällen gelangten die Kernteilchen nicht ohne weiteres auf den niedrigsten freien Platz. Die Kerne waren angeregt und strahlten beim Übergang in den entspannten Grundzustand Gammastrahlen, Röntgenstrahlen sowie Elektronen aus der Atomhülle aus. Erst dann zerfiel das Element durch radioaktiven Alphazerfall.
Die genaue Analyse der freigesetzten Strahlung und Teilchen erlaubte es den Forschern jedoch, die Struktur des ursprünglich angeregten Kerns zu rekonstruieren. Dabei fanden sie Protonen in einer Schale, die ihnen in Nobelium eigentlich verwehrt ist. Denn diese Schale befindet sich so weit außen, dass sie erst in extrem schweren Elementen besetzt wird. Nur auf Grund des angeregten Zustands konnten Protonen im Nobelium kurzzeitig in jene Regionen gelangen – und damit ein wenig Inselluft der Stabilität schnuppern.
Um einen groben Blick auf die Verhältnisse stabiler Superelemente zu werfen, braucht man folglich keinen Urlaub dort zu buchen. Es genügt vorerst, weniger schwere Kerne als Kurzzeit-Touristen dorthin zu schicken. Zumindest eine kleine Testreihe für die verschiedenen Theorien über das Inselleben sollte sich so entwickeln lassen. Für ein Ferienprospekt dürfte das dann reichen.
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