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Elemente: „Insel der Stabilität“ rückt weiter weg

Flerovium hat offenbar doch keine komplette Protonenschale im Kern

Flerovium
Element 114, Flerovium, soll wegen einer vollen Protonenschale im Atomkern langlebiger sein als seine Nachbarn. Doch die volle Kernschale scheint sich nicht zu bewahrheiten. © andriano_cz/ iStock

Nicht „magisch“: Das Element 114 – Flerovium – hat offenbar doch keine volle Protonenschale in seinem Atomkern, wie nun ein Experiment nahelegt. Denn Isotope dieses superschweren Elements zerfielen leichter und anders als gedacht. Das könnte bedeuten, dass die „Insel der Stabilität“, die Forscher bislang bei Isotopen des Elements 114 vermuteten, dort nicht existiert. Die Suche nach dieser Zone langlebigerer Isotope geht demnach weiter.

Ähnlich wie bei den Elektronen der Atomhülle gibt es auch beim Atomkern quantenmechanisch bedingte „Schalen“ – Energieniveaus, die je nach Element und Isotop von den Protonen und Neutronen sukzessive aufgefüllt werden. Weil eine volle Kernschale energetisch günstig ist, verleiht sie den Atomen besondere Stabilität. Als solche „magischen“ Zahlen gelten sowohl für Protonen als auch für Neutronen 2, 8, 20, 28, 50 und 82.

Insel der Stabilität
Bisher vermutete man die „Insel der Stabilität“ bei Elementen mit 114 Protonen und 184 Neutronen. © Lasunncty /CC-by-sa 4.0

„Heiliger Gral der Kernphysik“

Eine besondere Bedeutung haben solche „magischen Kernzahlen“ für die normalerweise extrem kurzlebigen superschweren Elemente. Denn bei ihren Isotopen vermuten Kernphysiker schon seit den 1960er Jahren eine Insel der Stabilität. „Das ist fast eine Art Heiliger Gral der Kernphysik“, erklärt Anton Såmark-Roth von der Universität Lund. „Viele träumen davon, etwas so Exotisches wie ein langlebiges oder sogar stabiles superschweres Element zu entdecken.“

Ein Kandidat für diese Insel der Stabilität waren bisher Isotope des Elements 114. „Auch für Flerovium, das Element 114, wurde eine abgeschlossene, ‚magische‘ Protonenschalenstruktur vorhergesagt“, erklärt Såmark-Roths Kollege Dirk Rudolph. Das bisher noch nicht synthetisierte Flerovium-Isotop Fl-298 könnte sogar einen doppelt magischen Kern besitzen – eine volle Protonen- und Neutronenschale.

Um zu prüfen, ob dies der Fall ist, hat das Team spezielle Zerfallsexperimente mit Flerovium-Isotopen am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt durchgeführt. Dafür wurden zunächst schwere Calciumkerne auf eine Folie aus neutronenreichen Plutonium-Isotopen geschossen. Dabei entstanden die Flerovium-Isotope Fl-286 und Fl-288. Deren Zerfallsmuster wurden mithilfe spezieller Spektroskopieverfahren bestimmt.

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Zerfall ohne „Knick“

Das Ergebnis: Das Flerovium-288 zerfiel zunächst zu Copernicium-284, dann zu Darmstadtium-280 – einem zuvor noch nie beobachteten Isotop dieses schweren Elements mit der Ordnungszahl 110. Doch die zeitlichen und energetische Abläufe dieser Zerfallsreihe lieferten keinerlei Indizien dafür, dass dabei der Flerovium-Atomkern mit 114 Protonen stabiler war als alle anderen Zerfallsprodukte.

„Das Fehlen eines Knicks in der Kurve deutet darauf hin, dass es keinen ausgeprägten Schaleneffekt beim Übergang von Z=114 gibt“, konstatieren Såmark-Roth und seine Kollegen. Flerovium ist demnach entgegen der Erwartung wahrscheinlich kein „magischer Kern“. „Unsere Studie zeigt, dass Element 114 nicht stabiler ist als andere in seiner Nähe“, sagt Koautor Christoph Düllmann von der Universität Mainz.

Insel der Stabilität doch erst bei Element 120?

Dieses Ergebnis sei ein sehr wichtiger Teil des Puzzles bei der weiteren Suche nach dem Zentrum der begehrten Insel der Stabilität, so die Forscher. „Jetzt wissen wir, dass wir Element 114 hinter uns lassen können und stattdessen im Umfeld von Element 120 suchen müssen – einem Element, das bisher noch nicht entdeckt worden ist“, sagt Såmark-Roth. „Die Reise zur Insel der Stabilität folgt damit nun einem neuen Kurs.“

Ob und wie es allerdings gelingen wird, das Element 120 zu erzeugen, ist offen. Denn mit dem 2006 entdeckten Element 118 ist die siebte und unterste Zeile des Periodensystems vollständig. Ob es darunter noch eine Periode gibt oder ob Atomkerne mit noch mehr Kernbausteinen physikalisch unmöglich sind, weiß noch niemand. (Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.126.032503)

Quelle: Lund University, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, American Physical Society

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