Durchbruch auf der „Insel der superschweren Elemente“

Einem internationalen Forscherteam ist es gelungen, mit zwei Atomen des künstlichen Elements 112 chemische Untersuchungen durchzuführen. Damit haben sich die Forscher erstmals experimentell auf der „Insel der superschweren Atomkerne“ bewegt. Diese Pionierleistung in der Radiochemie zeigt, dass sich das Element 112 ähnlich verhält wie Quecksilber und nicht wie angenommen Eigenschaften des Edelgases Radon aufweist.

„Wir sind erfolgreich auf der Insel gelandet“, freuen sich die Initiatoren des Projekts, Heinz Gäggeler, Chemieprofessor an der Universität Bern und Forschungsbereichsleiter am Paul Scherrer-Institut (PSI) und Robert Eichler, Leiter der Schwerelementforschung am PSI. Schon seit einigen Jahren produzieren Physiker am russischen Kernforschungszentrum Dubna in Kernfusionsreaktionen neue Isotope, die sie aufgrund ihrer radioaktiven Zerfallseigenschaften der theoretisch vorhergesagten „Insel der superschweren Atomkerne“ zuordnen.

Superschwere Elemente schwer zu erforschen

Eine solche Insel im Periodensystem setzt sich nicht nur durch die Zahl der Protonen (Ordnungszahl), sondern auch durch die Zahl der Neutronen (Isotope) in ihren Atomkernen vom Bereich der bekannten Elemente ab. Doch bisherige Versuche in den USA, diese Entdeckungen experimentell zu bestätigen, schlugen fehl. Der Grund liegt darin, dass sich von den neuen Elementen nur wenige Atome pro Woche erzeugen lassen. Sie werden künstlich an einem Schwer-Ionenbeschleuniger erzeugt, indem radioaktives Material mit hochenergetischen Strahlen aus Kalzium bestrahlt wird.

Insel der superschweren Elemente © Universität Bern

Das internationale Team mit Forschern der Universität Bern und des PSI hat im Rahmen eines vom Schweizerischen Nationalfonds unterstützten Projekts nun einen Durchbruch geschafft. Mitgearbeitet haben auch Wissenschaftler aus dem Dubnaer Kernforschungszentrum in Russland und dem Institut für Elektronische Technologie in Warschau. Während zwei Monaten wurde in Dubna ein Ziel aus Plutonium mit hochintensiven Kalzium-Strahlen bombardiert. Daraus bildete sich in einer Kernfusionsreaktion zuerst ein Isotop des Elements 114 mit der Massenzahl 287, das in weniger als einer Sekunde in das Isotop 283 des Elements 112 zerfällt. Dessen Halbwertszeit von 4 Sekunden ist aber genügend lang, um chemische Untersuchungen durchzuführen.

Experiment mit zwei Atomen

Mit dem Experiment wollte das Forschungsteam die Entstehung des neutronenreichen Isotops von Element 112 in dieser Kernreaktion erstmals unabhängig bestätigen und das Atom gleichzeitig chemisch untersuchen. Theoretische Berechnungen sagen für Element 112 ein chemisches Verhalten voraus, das sich zwischen demjenigen von Quecksilber als einem flüchtigen Schwermetall und demjenigen von Radon als einem Edelgas bewegt. Der Versuch in Dubna verlief erfolgreich. Am 11. Mai 2006 gegen drei Uhr früh sowie am 25. Mai um halb neun Uhr morgens Moskauer Zeit gelang es, den Zerfall zweier Atome von Element 112 zu beobachten, wobei die Zerfallscharakteristik eindeutig mit den bisherigen Berechnungen übereinstimmte. Die Atome des Elements 112 zerfielen durch Emission eines Alphateilchens in das Isotop des Elements 110 mit der Massenzahl 279, das etwa eine halbe Sekunde später durch eine spontane Kernspaltung zerplatzte.

Die gemessene Energie aus der Kernspaltung war wie erwartet erheblich größer als die entsprechende Energie aus der bekannten Kernspaltung von Uran, wie sie in jedem Kernkraftwerk genutzt wird. Interessanterweise verhielten sich die zwei Atome vom Element 112 im Experiment wie ein flüchtiges Schwermetall, also ähnlich wie Quecksilber, und nicht wie Radon. Dem internationalen Forschungsteam ist somit eine erste chemische Untersuchung auf der „Insel der superschweren Elemente“ gelungen.

(Universität Bern, 01.06.2006 – NPO)