Mit einem Kunststück, das fast wie Alchemie der Gegenwart wirkt, ist Forschenden mithilfe eines Strahls aus verdampftem Titan gelungen, eines der schwersten Elemente der Erde herzustellen – und sie sind überzeugt, dass dieser Ansatz den Weg zu noch schwereren Zielen ebnen könnte.
Ein Titanium-50-Strahl macht erstmals Livermorium möglich
Erstmals hat die neue Vorgehensweise – bei der ein Stück des seltenen Isotops Titanium-50 auf nahezu 1650 °C (3000 °F) erhitzt wird, um Ionen freizusetzen, die anschliessend auf ein anderes Element geschossen werden – tatsächlich ein superschweres Element hervorgebracht: Livermorium.
Livermorium wurde zwar bereits im Jahr 2000 erstmals synthetisiert, und es ist auch nicht das schwerste Element, das Menschen erzeugt haben (diesen Platz hält Oganesson mit der Ordnungszahl 118). Entsprechend könnte man fragen, warum es überhaupt bemerkenswert sein soll, dass am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kürzlich ein paar Atome Livermorium entstanden sind – wer das Periodensystem verfolgt, weiss: Livermorium ist gewissermassen „so Y2K“ und bringt „nur“ 116 Protonen mit.
Warum das Livermorium-Experiment mehr ist als „nur“ Element 116
Der eigentliche Punkt liegt nicht bei den zwei Atomen selbst, sondern darin, was das Experiment vorbereitet: Die Fusion eines Titanium-Strahls mit Plutonium zur Erzeugung von Livermorium ist als Probelauf für deutlich „grössere“ – genauer: schwerere – Vorhaben gedacht. Das Team will als nächstes ein Element herstellen, das das bislang schwerste jemals produzierte übertreffen würde: Unbinilium mit 120 Protonen.
„Diese Reaktion war zuvor noch nie demonstriert worden, und es war entscheidend zu zeigen, dass sie möglich ist, bevor wir unseren Versuch beginnen, 120 herzustellen“, sagt die Kernchemikerin Jacklyn Gates vom Berkeley Lab, die die Arbeit geleitet hat.
Von Calcium-48 zu Titanium-50: Was sich am Strahl ändert
Bislang galt Calcium-48 mit seinen 20 Protonen als Standard für solche Strahlen. Der Grund: Seine „magische Zahl“ an Protonen und Neutronen macht es vergleichsweise stabil, was die Verschmelzung mit dem Zielmaterial begünstigt.
Titanium-50 ist zwar nicht „magisch“, liefert aber die 22 Protonen, die nötig sind, um in höhere Atomgewichte vorzudringen – ohne dabei selbst schon so schwer zu sein, dass es schlicht zerfällt.
„Es war ein wichtiger erster Schritt, etwas zu versuchen, das ein wenig einfacher ist als ein neues Element, um zu sehen, wie sich der Wechsel von einem Calcium-Strahl zu einem Titanium-Strahl auf die Rate auswirkt, mit der wir diese Elemente produzieren“, erklärt die Physikerin Jennifer Pore vom Berkeley Lab.
„Die Erzeugung von Element 116 mit Titanium bestätigt, dass diese Produktionsmethode funktioniert, und wir können nun unsere Jagd nach Element 120 planen.“
22 Tage am Zyklotron – am Ende nur zwei Atome
Damit überhaupt Livermorium entsteht, braucht es enorme Beschleunigungsarbeit: Am 88-Zoll-(≈2,24-m)-Zyklotron des Berkeley Lab lief der Betrieb 22 Tage lang, um die schweren Titanium-Ionen zu einem Strahl zu beschleunigen, der stark genug ist, mit dem Zielmaterial zu fusionieren. Trotz dieses Aufwands kamen am Ende lediglich zwei Atome Livermorium heraus.
Unbinilium soll mit derselben Grundidee schneller erreichbar sein als über frühere Wege: Der Strahl soll dafür auf Californium-249 gerichtet werden. Trotzdem bleibt das Unterfangen zäh.
„Wir glauben, dass es etwa 10-mal länger dauern wird, 120 zu erzeugen als 116“, sagt der Kernphysiker Reiner Kruecken vom Berkeley Lab.
Wettlauf um Unbinilium und die „Insel der Stabilität“
Für das Berkeley Lab des US-Energieministeriums bedeutet der Erfolg zugleich die Rückkehr in den Wettbewerb um superschwere Elemente – ein Feld, in dem das Institut im 20. Jahrhundert zu den führenden Akteuren bei Elemententdeckungen zählte.
Weltweit läuft das Rennen um Unbinilium seit mindestens 2006: Damals unternahm ein russisches Team am Gemeinsamen Institut für Kernforschung (Joint Institute for Nuclear Research) einen ersten Anlauf. Forschende am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Deutschland versuchten es zwischen 2007 und 2012 mehrfach – jedoch ohne Erfolg.
Inzwischen sind Forschende aus den USA, China und Russland wieder sichtbar im Wettbewerb, was unweigerlich die Frage aufwirft, wozu solche Elemente künftig einmal dienen könnten.
„Es ist wirklich wichtig, dass die USA wieder in diesem Rennen sind, weil superschwere Elemente wissenschaftlich sehr wichtig sind“, sagte der Kernphysiker Witold Nazarewicz, der nicht an der Studie beteiligt war, gegenüber Robert Service im Magazin Science.
Element 120 liegt nahe an der theoretischen „Insel der Stabilität“ – einem erhofften Bereich, in dem superschwere Elemente dank ihrer „magischen Zahlen“ an Protonen und Neutronen ungewöhnlich lange Halbwertszeiten besitzen würden.
Von solchen langlebigeren, stabileren superschweren Elementen erwarten Forschende die Möglichkeit, Extreme des Atomverhaltens zu untersuchen, Modelle der Kernphysik zu prüfen und die Grenzen von Atomkernen genauer zu vermessen.
Die Studie ist in Physical Review Letters veröffentlicht.
Eine frühere Version dieses Artikels wurde im August 2024 veröffentlicht.
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