Einer internationalen Forschergruppe gelang die Erzeugung und Detektion neuer, extrem kurzlebiger Atomkerne des Elements Uran. Diese besitzen viel weniger Neutronen als Uranatomkerne, die in der Natur vorkommen, und existieren nur für etwa eine millionstel Sekunde. Die neuen Daten liefern Schlüsselinformationen zum Verständnis, wie die Anordnung von Protonen und Neutronen in exotischen Atomkernen deren Stabilität beeinflusst. Dies wird verbesserte Vorhersagen für Experimente zur Suche nach neuen superschweren Elementen erlauben.
Protonen und Neutronen werden in individuellen Schalen in Atomkernen angeordnet. Atomkerne mit eine Anzahl, die eine gewisse Protonen- oder Neutronenschale auffüllt, sind stabiler als andere. Für Protonen ist 82 die letzte bekannte dieser sogenannten "magischen" Zahlen, für Neutronen 126. Blei-208 - mit 82 Protonen und 126 Neutronen - besitzt somit den schwersten bisher bekannten doppelt-magischen Kern und ist Hauptbestandteil des natürlichen Bleis, wie es im täglichen Leben verwendet wird, beispielsweise in Blei-Akkus. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler zu ermitteln, wieviele Protonen die nächste Schale aufzunehmen vermag, deren Abschluss zu einer "Insel der Stabilität" in der Region der superschweren Elemente führen sollte. Aktuelle theoretische Modelle sind sich nach wie vor uneinig: Einige sagen 114 voraus, andere eher 120 oder sogar 126. Element 114 ist zwar bekannt. Davon kann aber nur etwa ein Atom pro Tag produziert und untersucht werden, was für detailliertere Studien nicht ausreicht. Die Elemente 120 und 126 wurden noch nicht entdeckt. Wissenschaftler suchen deshalb anderweitig nach Daten, die eine Verfeinerung der Modelle ermöglichen.
Eine internationale Forschergruppe um Dr. Jadambaa Khuyagbaatar vom Helmholtz-Institut Mainz, Deutschland, und dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt, Deutschland, hat nun die Entwicklung dieses letzten bekannten Neutronenschalenabschlusses zu schwereren Elementen hin untersucht. Im Zentrum stand die Frage, ob dessen Einfluss in diesen zunehmend instabilen Kernen so dominant bleibt, wie in Blei-208. Dazu wurden Atomkerne von Uran erzeugt. Diese verfügen über zehn Protonen mehr als diejenigen von Blei. In der Natur vorkommendes Uran, z.B. Uran-238, besitzt deutlich mehr als 126 Neutronen, weswegen erst neue Atomkerne, Uran-221, erzeugt werden und auch detaillierte Daten zu Uran-222 gemessen werden mussten. Von diesem Kern waren bisher erst drei Atome in einem Experiment im Jahre 1983 beobachtet worden. In ihrem Experiment bei GSI Darmstadt bestrahlten die Wissenschaftler eine Folie, auf welche Ytterbium-176 (Element 70) aufgebracht war, mit einem intensiven Titan-50- Ionenstrahl (Element 22). Die vollständige Verschmelzung zweier Atomkerne führte zu Kernen des Urans (Element 92), die im gasgefüllten Separator TASCA isoliert und zu einem Detektionssystem gelenkt wurden, in dem ihr Zerfall gemessen werden konnte. Dies ermöglichte die Untersuchung der Instabilität dieser Kerne, die innerhalb von Mikrosekunden zerfielen. Solch kurze Lebensdauern konnten nur dank eines neuen Datenaufnahmesystems und fortgeschrittenen Techniken zur Datenauswertung gemessen werden. Die Analyse kombinierter Daten von Isotopen von Blei bis hoch zu Uran mit Neutronenzahlen um 126, ergab, dass dies in Uran keine ausgeprägte magische Neutronenzahl mehr zu sein scheint. Dies erlaubt die Überprüfung aktueller Kernmodelle, die z.B. für die Suche nach neuen superschweren Elementen herangezogen werden.
Veröffentlichung:
J. Khuyagbaatar et al., Physical Review Letters XXX, YYY (2015); ZZ. Dezember 2015. S. auch Erläuterungen hier.
Die Abbildung zeigt eine von über 80 registrierten Spuren eines Dreifach-Signals aus der Implantation von Uran-222 in den Detektor (rot), die Emission eines α Teilchens mit 9.31 MeV Energie (blau), die zu Thorium-218 geführt hat, gefolgt vom sehr schnellen Zerfall dieses Kerns durch Emission eines 9.67 MeV α Teilchens, der zu Radon-214 geführt hat. Dessen Zerfall fand nach dem Ende der gezeigten Spur statt und wurde in einem anderen Zweig des verwendeten Datenaufnahmesystems detektiert.
Bildnachweis: J. Khuyagbaatar / HIM&GSI