„Missing-Link“ des Periodensystems gefunden

Physikern ist es endlich gelungen, eine wichtigen Lücke im Periodensystem der Elemente zu schließen: Erstmals gelang einem russisch-amerikanischen Forscherteam die Erzeugung des superschweren Elements 117. Die Atomkerne dieses Elements sind rund 40 Prozent schwerer als Blei und sehr instabil. Dennoch bestätigen sie die zuvor postulierte Existenz einer „Insel der Stabilität“ in diesem Bereich der Atomgewichte.

Die Erzeugung des neuen Elements ist der krönende Abschluss eines zwei Jahre dauernden Experiment-Marathons, den russische und amerikanische Forscher gemeinsam absolvierten. Den Anfang machte eine 250 Tage lange dauernde Bestrahlung am High Flux Isotope Reactor des Oak Ridge National Laboratory in den USA, um das seltene Element Berkelium zu erzeugen. Das radioaktive Element mit der Ordnungszahl 97 kann nur künstlich produziert werden und gehört zur Gruppe der Actinide.

Sechs Atome nach zwei Jahren Arbeit

Die Ausbeute von 22 Milligramm Berkeliums wurde anschließend isoliert, gereinigt und am Forschungsinstitut für Reaktortechnik in Dimitrovgrad so präpariert, das es für den entscheidenden Versuch geeignet war. Dieser fand im Schwerionen-Teilchenbeschleuniger des Kernforschungslabors in Dubna statt. Die Forscher schossen hier während einer 90 Tage dauernden Messkampagne Calciumatome auf das präparierte Berkelium und analysierten die bei der Kollision entstehenden Teilchen und Energien.

Aus den Teilchenmustern rekonstruierten die Forscher das Geschehen in den Sekundenbruchteilen des Aufpralls. Für sehr kurze Zeit waren die Atome beider Elemente verschmolzen und hatten insgesamt sechs Atome mit der Ordnungszahl 117 gebildet. „Dies ist ein signifikanter Durchbruch für die Wissenschaft“, erklärt George Miller, Leiter des Lawrence Livermore National Laboratory. „die Entdeckung eines neuen Elements liefert uns neue Einblicke in den Aufbau des Universums.“

Insel der Stabilität (rot): Hier zerfallen Atome langsamer als die ihnen ähnlichen aber leicht in Protonen- und Neutronenzahl abweichenden. © American Physical Society

Indiz für „Insel der Stabilität“

Wie alle superschweren Elemente ist auch Element 117 extrem instabil. Es dauert nur Sekundenbruchteile, bis es sich in einer Kaskade von Zerfallsprozessen selbst zerstört und in leichtere Teilchen umwandelt. Die Wissenschaftler konnten den Alpha-Zerfall von Element 117 zu 115 zu 113 und so weiter beobachten, bis sich schließlich der Atomkern in zwei leichtere Elemente spaltete.

Trotz seiner kurzen Lebensdauer hält Element 117 jedoch immerhin noch deutlich länger durch als viele im Periodensystem vor ihm stehende leichtere Elemente. Diese Tatsache bestätigt die seit längerem bestehende Theorie, dass es eine Art „Insel der Stabilität im Periodensystem gibt, einen Bereich der Atomgewichte, in dem die Elemente zumindest ein wenig stabiler sind als die um sie herum liegenden. Auch die erst vor kurzem erzeugten Elemente 116 und 118 liegen vermutlich auf dieser Insel. Wie weit sich diese allerdings erstreckt, ist bisher nicht bekannt. Hier hoffen die Physiker, dies durch weitere Synthesen noch schwererer Atome herausfinden zu können.

„Die Entdeckung des Elements 117 ist die Vollendung eines jahrzehntelangen Bemühens, das Periodensystem der Elemente auszuweiten und das nächste Kapitel in der Schwerelementeforschung aufzuschlagen“, erklärt Yuri Oganessian, Leiter des Flerov Laboratoriums für Kernreaktionen am russischen Institut für Kernforschung in Dubna.

Superschwere Elemente als Test für Modelle

Bisher gibt es zwar keinerlei praktische Anwendung für solche kurzlebigen Atome, doch die Herstellung von superschweren Elementen gilt als enorm wichtig für die Grundlagenforschung. SO können damit beispielsweise Modelle getestet werden, die die Bindung der Neutronen und Protonen im Atomkern beschreiben. Diese Modelle wiederum können dann eingesetzt werden um auch die häufigeren Elemente im Universum und ihr Verhalten besser zu verstehen. Außerdem lassen sich durch diese Forschungen auch Vorhersagen darüber treffen, ob im Kosmos oder auf anderen Himmelskörpern womöglich solche exotischen Elemente auch natürlicherweise existieren könnten.

Das neue Element und seine Erzeugung wird in einem Artikel in der Fachzeitschrift “Physical Review Letters” vorgestellt.

(American Physical Society, 08.04.2010 – NPO)