Die Masse eines Atomkerns ergibt sich nicht einfach aus der Summe seiner Bausteine. Stattdessen trägt – gemäß der Formel E = mc2 – auch ein zur nuklearen Bindungsenergie äquivalenter Betrag zum Gesamtgewicht bei. Bisher war Uran das schwerste Element, dessen Masse direkt bestimmt werden konnte. Michael Block vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und seinem Team gelang dies nun auch für drei deutlich schwerere Isotope von Nobelium.
Zunächst erzeugten die Wissenschaftler die künstlichen Isotope – mit 102 Protonen und 150 bis 152 Neutronen –, indem sie Kalziumionen auf eine Bleifolie schossen. Daraufhin bremsten sie die neu entstandenen Atomkerne ab und leiteten sie in eine so genannte Penning-Falle, um sie mit einem Massenspektrometer zu analysieren. Auf diese Weise konnten Block und seine Kollegen die Kerne zehnmal genauer vermessen als mit indirekten Methoden möglich. Die ermittelte Bindungsenergie stimmte im Rahmen der Fehler mit bisherigen Schätzungen überein.
Bekannte Atomkerne | Diese Karte zeigt die bekannten Atomkerne zwischen Uran und dem Element 118 (grau) sowie die drei untersuchten Nobeliumisotope (rot). Kerne, die mit den Nobeliumisotopen in einer radioaktiven Zerfallskette liegen, sind gelb dargestellt. Einen stabilen Atomkern vermuten die Physiker am Schnittpunkt der Linien. Bild: GSI Darmstadt
Die genauen Bindungsenergien von Atomkernen mit mehr als 100 Protonen seien enorm wichtig, um die Struktur der überschweren Elemente zu verstehen, schreiben die Autoren. Im Meer dieser künstlichen Elemente sagen Theoretiker eine "Insel der Stabilität" voraus: Während die Kerne normalerweise auf Grund der abstoßenden Kraft ihrer Protonen sofort zerfallen und in der Natur nicht vorkommen, sollen sie sich hier (rund um Protonenzahl 120) einer erstaunlichen Stabilität erfreuen.
Die neuen Ergebnisse liefern genaue Anhaltspunkte für theoretische Modelle sowie für die Massen überschwerer Elemente, berichten die Wissenschaftler um Block, und damit letztlich auch für die vorhergesagte Insel der Stabilität. Denn verschiedene Computermodelle ergeben bisher verschiedene Aussagen über deren genaue Lage im Periodensystem.
Bis jetzt schlossen Forscher lediglich indirekt auf die Kernmassen jenseits von Uran, indem sie die radioaktiven Zerfallsprodukte analysierten. Diese Methode birgt jedoch erhebliche Unsicherheiten in den berechneten Bindungsenergien. (mp)
Quellen
Links im Netz
Lexika
Block, M. et al.: Direct mass measurements above uranium bridge the gap to the island of stability. In: Nature 463, S. 785–788, 2010.
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