HELMHOLTZ extrem

Das schwerste Element

Blick in den 120 Meter langen Linearbeschleuniger. Bild: Gaby Otto / GSI

„Superschwere Elemente“ existieren nur für Millisekunden, bevor sie wieder zerfallen. Wissenschaftler am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung betreiben einen enormen Aufwand, um sie zu erzeugen. Wie entstehen sie und warum wird nach ihnen gesucht?

In den Kernen von Atomen sind positiv geladene Protonen und elektrisch neutrale Neutronen auf engstem Raum zusammen. Doch gleiche Ladungen stoßen sich ab. Was die Kerne im Innersten zusammenhält, war den Physikern lange ein Rätsel. Erst die Entdeckung der starken Wechselwirkung brachte die Lösung. Sie sorgt dafür, dass Atomkerne stabil sind. Zu viele der positiv geladenen Protonen in einem Atomkern dürfen es aber nicht sein. Dann überwiegt die Abstoßung zwischen den positiv geladenen Protonen, der Kern wird instabil und zerfällt. Die Grenze der Stabilität liegt bei 82 Protonen - der Ordnungszahl von Blei. Die Ordnungszahl gibt an, wie viele Protonen der Atomkern eines Elementes enthält. Alle Elemente, die mehr als 82 Protonen haben, sind instabil. Protonen und Neutronen sind auch Träger der Masse. Die Elemente werden mit zunehmender Ordnungszahl also schwerer. Elemente mit einer Ordnungszahl über 104 bezeichnen die Wissenschaftler als "superschwere Elemente".

Wissenschaftler versuchen schwere, instabile Elemente zu erzeugen, um mehr über die Bindungsverhältnisse in den Atomkernen zu lernen. Sie lassen stabile Atome mit hoher Energie aufeinanderprallen. Dabei kann es passieren, dass für kurze Zeit Elemente entstehen, die vorher noch nie zu sehen waren. Ein Team um Dirk Rudolph von der Universität Lund (Schweden) hat am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt Calcium-Ionen (20 Protonen) auf eine Folie mit Americium (95 Protonen) geschossen. Was sie dann nachweisen konnten, sind die Spuren des Zerfalls eines Elements mit der Ordnungszahl 115 und seiner Töchter - darunter Element 113 - die für wenige Millisekunden existiert haben müssen. Damit konnten die Wissenschaftler Berichte über die Existenz der Elemente 113 und 115 vom russischen Kernforschungszentrum in Dubna bestätigen.

Die Entdeckung dient auch dazu, die Annahmen der theoretischen Kernphysik auf die Probe zu stellen. Und die Ergebnisse der Experimente fließen wiederum in die Theorie ein. Theoretisch denkbar ist eine so genannte "Insel der Stabilität". Je mehr positiv geladene Protonen in einem Atomkern zusammenkommen, desto instabiler wird er normalerweise. Dennoch ist es möglich, dass gewisse, besonders schwere Atomkerne wieder einen stabileren Zustand erreichen: eine Konstellation im Atomkern also, die das Element nicht sofort wieder zerfallen lässt. Diese Elemente könnten dann vielleicht für Minuten oder sogar deutlich länger existieren. Das wäre eine Zeitspanne, die auch eine praktische Anwendung nicht mehr völlig abwegig erscheinen lässt.

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18.12.2013 , Martin Trinkaus
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