Die Hoffnung auf das superschwere Element Flerovium, das eine lange Lebensdauer hat, schwindet

Kernphysiker stellen seit Jahrzehnten rekordverdächtige superschwere Elemente her und erweitern das Periodensystem über Uran, das schwerste natürliche Element, hinaus. Solche Schwergewichte neigen dazu, instabil zu sein, aber die Theorie sagt „magische Zahlen“ von Protonen und Neutronen voraus, die zusätzliche Stabilität bieten, und die Suche nach einem langlebigen Superschwer ist für Forscher seit langem ein heiliger Gral.

Element 114, bekannt als Flerovium und erstmals 1998 geschaffen, gilt als der beste Kandidat für zusätzliche Stabilität, da Theoretiker glauben, dass 114 eine magische Anzahl von Protonen ist. Forscher berichten nun, dass es nicht stabiler ist als die superschweren Elemente in der Nähe des Periodensystems. Element „114 ist anscheinend keine Magie oder zumindest nicht so magisch, wie es klassische Vorhersagen anzeigen“, sagt Studienleiter Dirk Rudolph von der Universität Lund.

Das Ergebnis konzentriert sich auf den folgenden Kandidaten für eine magische Anzahl von Protonen: Element 120. Element 120 wurde noch nie zuvor synthetisiert und ist ein Ziel der Superheavy Element Factory (SHEF), einer neuen Anlage in Russland, die im November 2020 mit seiner gestartet wurde erste Experimente. Dort haben Forscher bereits 60 Atome von Moscovium, Element 115, hergestellt, indem sie Ionenstrahlen auf eine dünne Schicht aus Zielmaterial geschossen haben. Die Jagd nach 120 verzögert sich jedoch, bis die Forscher die Menge an Kalzium erhalten – ein seltenes Element, das in Hochwasser-Kernkraftreaktoren produziert wird -, die für das Ziel von 120 benötigt wird. „Eine begrenzte Menge an Zielmaterial wirft in naher Zukunft technische Probleme auf Entschlossenheit „, sagte Yuri Oganessian vom Russischen Gemeinsamen Institut für Kernforschung (JINR), der Heimat des SHEF. Oganessian ist der Namensgeber für Oganesson, Element 118, das 2004 von seinem Team bei JINR entdeckt wurde und derzeit das schwerste ist, das jemals hergestellt wurde.

Um zu erklären, warum einige Kerne stabiler sind als andere, glauben Theoretiker, dass sich Protonen und Neutronen in „Schalen“ befinden, ähnlich den Orbitalschalen von Elektronen, die den Kern umgeben und die Chemie jedes Elements definieren. So wie eine vollständige Elektronenhülle ein chemisch inertes Edelgas bildet, sorgen Protonen oder Neutronen einer vollständigen Hülle für zusätzliche Stabilität und längere Lebensdauer. Kerne mit vollen Schalen von Protonen und Neutronen wie Helium-4 (Ordnungszahl 2), Sauerstoff-16 (Ordnungszahl 8) und Blei-208 (Ordnungszahl 82) – bekannt als „Doppelmagie“ -Kerne – gehören zu den meisten stabile Isotope in der Natur.

Die Theorie kann sich jedoch nur annähern, wie hoch die magischen Zahlen für superschwere Elemente sind. Als das Oganessian-Team von JINR 1998 erstmals einen einzelnen Kern aus Element 114 herstellte, sah es für eine magische Hülle aus 114 Protonen vielversprechend aus: Das Atom scheint länger als 30 Sekunden zu überleben– Eine Ewigkeit für ein superschweres Element. Dieses lange Leben wurde jedoch nie wiederholt, und die meisten der halben Dutzend anderen bestätigten Isotope von Flerovium überleben nicht länger als 1 Sekunde.

Im vergangenen Jahr untersuchte ein Team unter der Leitung von Rudolph und Christoph Düllmann von der Universität Mainz die Stabilität von Flerovium mit verbesserten Detektoren am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Deutschland. Sie feuerten einen Strahl Calcium-48-Ionen auf Metallfolien, die mit Plutonium-242 und Plutonium-244 beschichtet waren. Die meisten Ionen bewegten sich durch das Ziel, aber im Laufe einiger Wochen kollidierten einige mit einem Plutoniumkern und verschmolzen zu Flerovium.

Nachdem die frischen Fleroviumkerne aus der Folie herausgedrückt wurden, werden sie durch ein Magnetfeld, das Ionen entsprechend ihrer Masse ableitet, von einem Bündelion und anderen Trümmern getrennt. Die in einen Partikeldetektor eingebetteten Kerne, die Zerfallsprodukte aufbauen und messen, um die Identität des superschweren Kerns aufzudecken – und wie lange er lebte.

Die Forscher schufen zwei Atome von Flerovium-286 und 11 von Flerovium-288, das Team im letzten Monat in Physische Übersichtsbriefe. Sie identifizierten Zerfallspfade der Kerne, einschließlich eines, der noch nie zuvor gesehen worden war und in einem stabilen Kern mit einer vollständigen Hülle nicht auftreten würde. Diese Zerfallsrouten sind so effektiv, sagt Rudolph, dass sie zu dem Schluss kommen, dass 114 ‚keine ausgesprochene magische Zahl‘ ist.

Oganessian ist nicht überrascht. Er sagt, Theoretiker glauben, dass die zusätzliche Stabilität, die eine vollständige Protonenschale bietet, „viel schwächer und verblasst“ ist, während eine vollständige Neutronenskala einen viel größeren Einfluss auf die Stabilität haben würde. Frustrierenderweise ist die folgende vollständige Neutronenskala mit 184 derzeit unerreichbar: Forscher haben noch nie einen Kern mit mehr als 177 Neutronen hergestellt.

Das heißt aber nicht, dass die Suche nach magischer Stabilität vorbei ist. Die erweiterten GSI-Teamdaten zu Element 114 werden Theoretikern helfen, ihre Modelle zu verfeinern, indem sie „Ankerpunkte für die Theorie“ bereitstellen, sagt Rudolph. Neuere Versionen des Kernschalenmodells rufen Schalen in Form von Rugbybällen und anderen Formen anstelle von Kugeln hervor, was darauf hinweist, dass die vollständige Protonenschale tatsächlich bei 120 oder 126 liegt, nicht bei 114.

Um dorthin zu gelangen, müssen der richtige Strahl und das richtige Zielmaterial sowie die Intensität und Langlebigkeit des Strahls berücksichtigt werden. „Brute Force“, wie Düllman es nennt. Er sagt, dass die Elemente 119 und 120 nicht in den Geltungsbereich der aktuellen GSI-Anlage fallen, aber sowohl für das RIKEN-Labor für Teilchenphysik in Japan als auch für SHEF erreichbar sein sollten. „Ich bin mir ziemlich sicher, dass sie 119 und 120 für uns bekommen werden.“