Weniger Neutronen als normal: Forscher haben vier bisher unbekannte Isotope der schweren Elemente Berkelium, Neptunium und Americium erzeugt. Die sehr kurzlebigen, exotischen Atomkerne besitzen weniger Neutronen als die bekannten Elementvarianten. Sie geben neue Hinweise zum Aufbau der Atomkerne und auch zur Stabilität weiterer, noch unbekannter superschwerere Elemente.
Das Periodensystem listet alle uns bekannten Elemente auf und damit die Bausteine der Materie. Doch vollständig ist dieser 114 offizell benannte Elemente umfassende Katalog bis heute nicht. In Experimenten haben Forscher bereits weitere, noch schwerere Elemente erzeugt, darunter das Element mit der Ordnungszahl 117. Und selbst bei bereits bekannten Elementen gibt es noch immer Unerklärtes und Überraschungen.
Ein Bereich, in dem wir noch lange nicht alles kennen, sind die Isotope der Elemente. Sie unterscheiden sich durch die Anzahl der Neutronen im Kern und damit in ihrer Masse. Bislang kennen wir etwa 3.000 Isotope von den 114 chemischen Elementen des Periodensystems. Doch Schätzungen gehen davon aus, dass noch über 4.000 unentdeckte Isotope existieren.
Isotop-Bildung unter Beschuss
Vier solcher neuer isotope hat nun ein internationales Forscherteam um Sophia Heinz vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung entdeckt. Für ihr Experiment beschossen die Forscher eine 300 Nanometer dünne Folie aus Curium mit beschleunigten Calcium-Atomkernen beschossen. Dabei berühren sich die Atomkerne der beiden Elemente und bilden für sehr kurze Zeit ein Verbundsystem.
Bevor das Verbundsystem nach etwa einer trilliardstel Sekunde wieder auseinander bricht, tauschen die beiden einander berührenden Kerne eine Anzahl von Kernbausteinen – Protonen und Neutronen – aus. Dabei entstehen unterschiedliche Isotope als Endprodukte. Sie sind nicht stabil und zerfallen je nach Isotop nach wenigen Millisekunden oder Sekunden. Doch anhand ihrer Zerfallsprodukte lassen sie sich nachweisen.
Schritt in unerforschte Gebiete
Die nun entdeckten Isotope von Berkelium, Neptunium und Americium besitzen weniger Neutronen und sind leichter als die bisher bekannten Isotope des jeweiligen Elements. Durch ihre geringe Neutronenzahl sind sie in ihrem Aufbau sehr exotisch und damit für die Entwicklung von theoretischen Modellen zur Beschreibung von Atomkernen sehr interessant. Die aktuellen Experimente ermöglichen es, in bislang unerforschte Gebiete auf der Landkarte der Isotope vorzudringen.
„Von besonderer Bedeutung sind unsere Ergebnisse für die Erforschung superschwerer Elemente“, erläutert Heinz. „Insbesondere neue Isotope von superschweren Elementen, die eine besonders große Zahl an Neutronen enthalten, sind mit keiner anderen Methode herstellbar.“ Spannend sind solche Experimente deshalb, weil Chemiker vermuten, dass es unter den noch unbekannten superschweren Elementen Inseln der Stabilität geben könnte – Elemente, die nicht so extrem kurzlebig sind wie die meisten superschweren Elemente.
(GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, 10.09.2015 – NPO)
