Extrem instabil und leicht: Kernphysikern ist es erstmals gelungen, ein Magnesium-Atom mit nur 18 Kernbausteinen zu erzeugen – es ist das leichteste bisher bekannte Isotop dieses Elements. Der Atomkern aus zwölf Protonen und sechs Neutronen ist allerdings extrem instabil und zerfällt in Sekundenbruchteilen durch Abgabe von zwei Protonenpaaren. Die Energiezustände des neuen Isotops liefern Einblicke in die Struktur des Atomkerns und die „magischen“ Kernzahlen.
Die Identität jedes Elements wird durch die Anzahl der Protonen in seinem Atomkern bestimmt. Die Menge der Neutronen jedoch kann variieren – Kernphysiker sprechen dann von Isotopen eines Elements. Die Stabilität dieser Isotope erlaubt wiederum einige Rückschlüsse darauf, wie die Atomkerne strukturiert sind. Gängiger Theorie nach bilden die Kernbausteine quantenmechanisch bedingte Schalen, wobei voll aufgefüllte Kernschalen energetisch günstig und daher stabiler sein sollen.
Wie neutronenarm kann ein Isotop werden?
Beim Element Magnesium mit zwölf Protonen gibt es von Natur aus drei stabile Isotope, das häufigste ist mit knapp 79 Prozent 24Mg. Dazu gibt es in instabiles leichtes Isotop mit nur elf statt zwölf Neutronen. Im Labor jedoch haben Kernphysiker im Labor die Neutronenzahl dieses Elements schon bis auf nur noch sieben reduziert: Bisher war 19Mg das leichteste bekannte Magnesium-Isotop.
Doch das hat sich nun geändert. Einem internationalen Forscherteam um Yu Jin von der Universität Peking ist es nun erstmals gelungen, die Neutronenzahl des Magnesiums noch weiter zu verringern. Für ihr Experiment beschleunigten sie Kerne des stabilen Magnesium-Isotops 24Mg im Beschleuniger des National Superconducting Cyclotron Laboratory in Michigan bis auf die Hälfte der Lichtgeschwindigkeit und schossen sie auf eine Berylliumfolie.
Erster Nachweis von Magnesium-18
„Diese Kollision liefert uns einen Haufen unterschiedlicher Isotope, die leichter sind als Magnesium-24“, erklärt Koautor Kyle Brown von der Michigan State University. Von diesen Isotopen trennten die Forscher das instabile 20Mg ab und ließen es mit einer weiteren Berylliumfolie kollidieren. Bei dieser Kollision kam es zu weiteren Neutronenabgaben, durch die einige dieser Atomkerne zu Magnesium-18 wurden – dem bisher leichtesten je detektierten Magnesium-Isotop.
„Das ist ziemlich spannend, denn es geschieht nicht alle Tage, dass man ein ganz neues Isotop entdeckt“, sagt Brown. Das neu erzeugte Magnesium-Isotop besitzt nur noch halb so viel Neutronen wie Protonen. Allerdings hat es eine so kurze Halbwertszeit, dass es noch in der Berylliumfolie sofort wieder zerfällt. Der Atomkern hat nicht einmal Zeit, sich mit einer Elektronenhülle zu umgeben – das neue Isotop existiert daher nur als nackter Atomkern.
Doppelte Protonenpaar-Abgabe
Detektierbar war 18Mg deshalb nur anhand der beim Zerfall freiwerdenden Teilchen. Wie die Physiker feststellten, gibt es dabei erst ein Protonenpaar ab und wird so zu Neon-16, dann folgt ein weiteres Protonenpaar und der Atomkern wird zum leichten, instabilen Isotop Sauerstoff-14. Dies ist erst die zweite Beobachtung eines Atomkernzerfalls durch Abgabe von vier Protonen, wie das Team erklärt.
Das neue Magnesium-Isotop und die bei seinem Zerfall gemessenen Energien liefern wertvolle Hinweise auf die Struktur des Atomkerns. So scheint die Energie seines angeregten Zustands deutlich höher zu liegen als bei dem um zwei Neutronen schwereren Isotop 20Mg, wie Jin und seine Kollegen ermittelten. Sie vermuten, dass dies mit den Kernschalen zusammenhängt. Denn Magnesium-20 hat mit zwölf Protonen und acht Neutronen bei beiden Kernbausteinen eine „magische Zahl“ mit vollständig gefüllten Unterschalen im Kern. (Physical Review Letters, 2021; doi: 10.1103/PhysRevLett.127.262502)
Quelle: Michigan State University Facility for Rare Isotope Beams, American Physical Society (APS)
