Mysteriöser Formwandel im Quecksilber-Atom

Einzigartiges Phänomen: Der Atomkern von Quecksilber ist ein echter Formwandler – er springt je nach Zahl seiner Neutronen zwischen einer runden und einer elliptischen Form hin und her, wie ein Experiment enthüllt. Ein solches Verhalten ist von keinem anderen Element bekannt. Seltsam auch: Der Wechsel zwischen rundem Fußball und ovaler Rugbyball-Form passiert nur bei Quecksilber-Isotopen mit zwischen 181 und 185 Kernbausteinen, wie die Forscher in „Nature Physics“ berichten.

Quecksilber ist ein echter Sonderling. Denn es ist das einzige Metall, das bei Raumtemperatur flüssig ist. Die silbrige Flüssigkeit besitzt dabei eine so hohe Dichte, dass sogar ein Eisenstück in Quecksilber schwimmt. Der Grund für seinen niedrigen Schmelzpunkt ist der schwere Atomkern: Neben den 80 Protonen enthält der Quecksilber-Kern je nach Isotop zwischen 95 und 128 Neutronen. Diese Masse führt bei den Elektronen der Atomhülle zu relativistischen Effekten, die die Metallbindung und damit die Ausbildung des typischen Metallgitters hemmen.

Verformte Atomkerne

Doch das ist nicht die einzige Besonderheit des Quecksilbers, wie nun Bruce Marsh vom Forschungszentrum CERN und sein Team berichten. Mithilfe der ISOLDE-Ionenquelle am CERN haben sie systematisch verschiedene Quecksilber-Isotope hergestellt und deren Atomkerne mittels spezieller Laser- und Massenspektrometer genauer untersucht. Die Spanne reichte vom Isotop ¹⁸⁵Hg mit 105 Neutronen bis zum extrem kurzlebigen Isotop ¹⁷⁷Hg, das eine Halbwertszeit von nur 27 Millisekunden hat.

Der Grund: Schon früher hatten Experimente erste Hinweise darauf ergeben, dass sich einige radioaktive Quecksilber-Isotope anders verhalten als erwartet. Normalerweise werden die Atomkerne von Schwermetallen mit abnehmender Neutronenzahl allmählich kleiner. Beim Quecksilber jedoch schienen einige Isotope aus der Reihe zu tanzen: Ihre Atomkerne waren ungewöhnlich groß und verformt. Was es damit auf sich hat, haben nun Marsh und sein Team überprüft.

Mittlerer quadratischer Ladungsradius von Quecksilber-Atomkernen je nach Massenzahl © Frank Wienholtz

Abrupter Wechsel zwischen „Fußball“ und „Rugby“

Und tatsächlich: Die Messungen enthüllten, dass nur die Quecksilber-Isotope mit einer geraden Anzahl von Neutronen der Regel folgen. Ihre Kerne sind rund und werden mit sinkender Massenzahl immer kleiner. Anders jedoch die Isotope mit den ungeraden Massenzahlen: Enthält der Kern 101, 103 oder 105 Neutronen, tritt ein abrupter Wandel ein: Der Atomkern ist deutlich größer und nicht mehr rund, sondern oval wie ein Rugbyball.

„Dieser Formwechsel manifestiert charakteristische Merkmale eines Quanten-Phasenübergangs“, erklären die Forscher. „Die beiden Phasen – eine fast runde und eine stark deformierte Kernform – mischen sich nicht. Es reichen jedoch kleine Veränderungen eines Parameters, in diesem Fall der Neutronenzahl, um das System zwischen den beiden Phasen springen zu lassen.“

ISOLDE-Experiment am CERN © CERN

Nur sechs Mal

Seltsam auch: Dieser Wechsel der Kernformen tritt beim Quecksilber nicht bei allen Isotopen mit ungeraden Massenzahlen auf. Stattdessen beobachteten die Forscher das Phänomen nur bei Neutronenzahlen zwischen 101 und 105. „In der Isotopenkette des Quecksilbers ereignet sich dieser Phasenübergang demnach nur sechs Mal“, so Marsh und seine Kollegen. „Das bestätigt, dass dieser dramatische Formwechsel ein lokalisiertes Phänomen ist und dass Quecksilber unterhalb von 100 Neutronen dauerhaft zur runden Form zurückkehrt.“

Aber warum? Auf der Suche nach der Ursache dieses einzigartigen Phasenwechsels analysierten die Wissenschaftler die Quantenzustände der Quecksilber-Isotope mithilfe von aufwändigen Computermodellen. „Die auffallendsten Unterschiede zwischen den Isotopen <sup181Hg, <sup183Hg und <sup185Hg und dem Rest finden sich in der Nukleon-Besetzung zweier Orbitale“, berichten Marsh und sein Team.

103 Neutronen sind die kritische Zahl

Demnach bilden bei diesen anomalen Isotopen vier Protonen und acht Neutronen einen angeregten Komplex, der zu einer speziellen Besetzung der Kernorbitale führt. Das wiederum bewirkt den Wechsel zu einer ovalen Kernform, wie die Forscher erklären. Weil diese Konfiguration nur bei einer Neutronenzahl nahe 103 auftritt, sei dieser Formwechsel auf die drei Quecksilber-Isotope <sup181Hg, <sup183Hg und <sup185Hg beschränkt.

Das Rätsel um den seltsamen Formwechsel des Quecksilbers könnte damit endlich gelöst sein. (Nature Physics, 2018; doi: 10.1038/s41567-018-0292-8)

(CERN, 08.10.2018 – NPO)