Auf dem Weg zur "Insel der Stabilität"

  • 08. February 2013

Experimente an der GSI in Darmstadt haben erstmals die direkte Messung der Stärke von Schaleneffekten in sehr schweren Atomkernen mit über 100 Protonen ermöglicht.

Durch hochpräzise Massenmessungen an den Transuranen Nobelium und Lawrencium konnten diese Schaleneffekte für 152 Neutronen bestimmt werden. Die Ergebnisse liefern Informationen über die Kernstruktur superschwerer Elemente und dienen dazu, die Vorhersagen über Lage und Ausdehnung der „Insel der Stabilität“ zu verbessern.

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Isotopenkarte. Höhen und Tiefen zeigen den Einfluss der Schaleneffekte auf die Bindungsenergie der Atomkerne. So befindet sich im Minimum vorn links das besonders stark gebundene doppeltmagische Pb-208. Cn-277 liegt am Übergang von deformierten schweren zu sphärischen superschweren Kernen. Die rote Flagge kennzeichnet den Ort des an der GSI produzierten Elements Copernicium (Rechnung und Grafik: P. Möller).

Protonen und Neutronen werden im Atomkern durch die starke Kernkraft zusammengehalten. Atomkerne mit sehr vielen Protonen sind jedoch wegen der gegenseitigen elektrischen Abstoßung der Protonen nicht stabil, sondern spalten. Dennoch kann man künstlich Atomkerne mit noch mehr Protonen herstellen, insbesondere superschwer genannte Atomkerne mit mehr als 103 Protonen. Dies ist dem stabilisierenden Einfluss der Schaleneffekte zu verdanken.

Protonen und Neutronen besetzen nämlich bestimmte Energieniveaus, die man – ähnlich wie bei den Elektronen in der Atomhülle – auch Schalen nennt. Elemente mit abgeschlossener Elektronenschale, die Edelgase, sind chemisch sehr stabil und gehen kaum Reaktionen ein. Analog gibt es magische Protonen- und Neutronenzahlen, bei denen die Protonen und Neutronen besonders stark gebunden sind. Dies führt zu einer erhöhten Stabilität der Atomkerne und einer verlängerten Lebensdauer. Für die Elemente, die auch in der Natur vorkommen, sind Atomkerne mit den Neutronen- oder Protonenzahlen 2, 8, 20, 28, 50 oder 82 magisch.

Theoretische Vorhersagen lassen erwarten, dass gefüllte Protonen- und Neutronenschalen bei superschweren Atomkernen zu einer extrem langen Lebensdauer führen, der Insel der Stabilität. Wo genau diese Insel liegt, ist allerdings umstritten. Einige theoretische Ansätze sagen die nächste magische Protonenzahl für Element 114 vorher, andere für Element 120 oder sogar 126. Unklar ist auch, welche Lebensdauern diese Atomkerne haben, ob hunderte von Jahren, vielleicht Jahrtausende oder sogar Jahrmillionen.

Messungen mit der Ionenfallenanlage SHIPTRAP der GSI, der genauesten Waage, die bisher für die schwersten Elemente gebaut wurde, erfolgten an Nobelium- und Lawrencium-Isotopen. Dabei wurde die Masse der Ionen aus der Frequenz bestimmt, mit der sie sich im hohen Feld eines supraleitenden Magneten auf kreisförmigen Bahnen bewegen. Um diese Zyklotronfrequenz, die umgekehrt proportional zur Ionenmasse ist, extrem genau zu bestimmen, fängt man die Ionen mit einem zusätzlichen elektrischen Feld von Penning-Fallen ein.

Mit der Penning-Fallenapparatur SHIPTRAP kann man insbesondere die Massen von Transuranen sehr genau bestimmen, wie bereits am Element Nobelium demonstriert wurde. Bei den aktuellen Experimenten konnten die Messungen auf Atomkerne im Bereich der magischen Neutronenzahl N = 152 und auf das nächste Element Lawrencium mit 103 Protonen ausgeweitet werden. Dabei war die extrem geringe Anzahl verfügbarer Teilchen eine besondere Herausforderung. Bei dem Isotop Lawrencium-256 mit einer Halbwertszeit von knapp einer halben Minute standen gerade einmal knapp 50 Atome statistisch verteilt über eine Messzeit von etwa vier Tagen zur Verfügung.

Den kompletten Beitrag mit den Ergebnissen der Experimente, veröffentlicht in der jüngsten Ausgabe  von Physik in unserer Zeit, finden Sie hier zum freien Download.

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