Experimente im Grenzbereich der Stabilität: die Erforschung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der superschweren Elemente

Die Erforschung der starken Wechselwirkung und ihrer Konsequenzen für die Struktur und Stabilität der Atomkerne ist eines der fundamentalen Ziele aktueller kernphysikalischer Forschung.

Dazu werden bevorzugt Experimente an den Grenzen der Stabilität durchgeführt, also in Regionen extremer N/Z-Verhältnisse oder mit superschweren Elementen. Die experimentelle Erforschung dieser Superschwergewichte (Superheavies), also von Nukliden mit Ordnungszahl Z>103, befasst sich mit deren gundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften.

Superschwere Elemente verdanken ihre Existenz den stabilisierenden Schaleneffekten der Kernstruktur. Jenseits des letzten stabilen doppelt-magischen Kerns 208Pb werden von unterschiedlichen theoretischen Ansätzen Schalenabschlüsse bei Z=114, 120 oder 126, und N=172 oder, häufiger, 184 vohergesagt. Auf dem Weg zu dieser lange gesuchten "Insel der Stabilität der superschweren Elemente" wurden deformierte Schalenabschlüsse bei N=152,162 und Z=108 gefunden. In jahrzehntelanger intensiver Forschung wurden am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung  in Darmstadt insgesamt sechs neue Elemente mit Z=107-112 entdeckt und kürzlich auch Element 114  nachgewiesen. Es ist aber weiterhin offen, bei welchen Werten von Z und N die nächsten sphärischen Schalenabschlüsse lokalisiert sind. Daher sind aktuell Experimente zur Synthese neuer Elemente mit Z>118 in Vorbereitung, unterstützt durch das Studium nuklearer Reaktionsmechanismen. Das Verständnis der Kernstruktur der schwersten Elemente, welche ein wichtiges Indiz zur Lokalisierung der Protonen- und Neutronenschalen liefert, wird durch die Untersuchung angeregter und insbesondere isomerer Zustände mittels der Zerfallsspektroskopie vertieft. Hochpräzise Massenmessungen mit Penningfallen ergänzen die vielfältigen Forschungsansätze, welche in naher Zukunft noch um laserspektroskopische Messungen erweitert werden.

Chemische Untersuchungen der superschweren Elemente – oft Transactinide genannt, da sie sich an die Serie der Actiniden anschliessen – untersuchen den Einfluss relativistischer Effekte auf die Struktur ihrer Atomhülle. Diese Effekte können zu Änderungen des chemischen Verhaltens dieser Elemente im Vergleich zu dem ihrer leichteren Homologen im Periodensystem der Elemente führen. Aktuell wird z.B. der spannenden Frage nachgegangen, ob das superschwere Element 114 chemisch seinem leichteren Homologen Blei ähnelt, oder eher ein edelgasähnliches Verhalten zeigt. Um ein besseres Verständnis und eine korrekte Interpretation der experimentell gewonnenen chemischen Resultate zu erreichen, werden theoretische Rechnungen mit voll-relativistischen quantenchemischen Methoden durchgeführt. Neuartige experimentelle Techniken haben in den letzten Jahren das Forschungsfeld erweitert und ermöglichen nun das Studium neuartiger Verbindungen der Transactiniden. Nicht zuletzt sind kernchemische Methoden die empfindlichsten für das Studium langlebiger Nuklide, wie sie z.B. im Bereich um den deformierten, doppelt-magischen Kern 270Hs auftreten oder in nuklearen Multinukleon-Transferreaktionen mit schweren Targetkernen im Bereich der Actinide gebildet werden. Dieser Reaktionstyp wird von der Helmholtz-Nachwuchsgruppe IRiS untersucht, die momentan im Aufbau begriffen ist.

Die Forschungssektion "Physik und Chemie der superschweren Elemente", SHE, im Helmholtz-Institut Mainz ist Keimzelle eines Forschungsverbunds, der die Stärken der Kernphysik, Kernchemie und Atomphysik bündelt, um die Erforschung der superschweren Elemente in internationalen Kollaborationen bei GSI massgeblich voranzutreiben und diese drängenden Fragen in der Physik und auch Chemie der superschweren Elemente zu beantworten. Die entsprechenden Partner an der GSI sind die Bereiche "Superschwere Elemente"  und "Kernchemie". Die Universität mit ihrer lange bewiesenen Expertise in diesen Gebieten ist ein idealer Partner und bietet am Institut für Kernchemie  eine herausragende Infrastruktur für methodische Entwicklungen am Forschungsreaktor TRIGA und zum Umgang mit exotischen Radioisotopen zur Produktion von Transuran-Targets.

Den Arbeitsgruppen SHE Chemie  (Leitung: Prof. Dr. Christoph E. Düllmann, c.e.duellmann(at)gsi.de) und SHE Physik (Prof. Michael Block, block(at)uni-mainz.de) steht eine weltweit einmalige Kombination von experimentellen Geräten zur Verfügung:

  • das Geschwindigkeitsfilter SHIP (GSI)
  • das Penningfallensystem SHIPTRAP (GSI)
  • der neue gas-gefüllte Separator TASCA (GSI) 
  • der Zerfallsspektroskopieaufbau TASISpec (GSI)
  • der Forschungsreaktor TRIGA (Institut für Kernchemie der Universität Mainz)
  • das Penningfallen- und Laserspektroskopiesystem TRIGA-SPEC (Institut für Kernchemie der Universität Mainz)
  • radiochemische Laboratorien (GSI und Institut für Kernchemie der Universität Mainz)
  • Messplatz für chemische und kernchemische Bestrahlungsexperimente (GSI)
  • schnelle automatisierte chemische Trennapparaturen (GSI und Institut für Kernchemie der Universität Mainz)
  • Labore zur Herstellung von Targets aus radioaktiven (Institut für Kernchemie der Universität Mainz) und stabilen Isotopen (GSI)

Die Forschungssektion SHE hat starke Verbindungen zu den anderen HIM-Sektionen ACID, (betreibt den Aufbau einer Testkavität für einen zukünftigen dedizierten Linearbeschleuniger für Schwerelementeforschung an der GSI), MAM (betreibt ebenfalls Penningfallen- und laserbasierte Experimente, ähnlich SHIPTRAP und TRIGA-SPEC), SPECF (Erforschung der starken Kraft), und THFL (Anbindung an die Theorie, z.B. durch das Gastwissenschaftlerprogramm).

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Kontakt

Prof. Dr. Christoph Düllmann

Sektionsleiter SHE/Chemie

c.e.duellmann(at)gsi.de

 

Univ.-Prof. Dr. Michael Block

Sektionsleiter SHE/Physik

block(at)uni-mainz.de