Die Erforschung superschwerer Elemente hat einen neuen Meilenstein erreicht. Ein Team von GSI/FAIR, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und dem Helmholtz-Institut Mainz hat das Element Rutherfordium-252 (Rf-252) entdeckt, das als der kurzlebigste bekannte superschwere Kern gilt. Diese Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht und als Editor’s suggestion hervorgehoben, was die Relevanz der Ergebnisse unterstreicht. Sie markieren die Küstenlinie der sogenannten „Insel der Stabilität“, die auf eine lange Lebensdauer bestimmter nuklearer Konfigurationen hinweist.
Die Forschung zielt darauf ab, die Grenzen dieser Insel bei superschweren Nukliden auszuloten. Theoretische Modelle aus den 1960er-Jahren hatten bereits auf eine Ansammlung stabiler Kerne, die ein Maximum an Protonen und Neutronen aufweisen, hingewiesen, wobei insbesondere die magischen Zahlen von Bedeutung sind. Neueste Beobachtungen zeigen, dass die Halbwertszeiten schwerster Kerne zunehmend ansteigen, wenn man sich den magischen Zahlen von 184 Neutronen nähert.
Die Mechanik hinter der Entdeckung
Um Rf-252 zu erzeugen, verwendete das Forschungsteam Titan-50-Strahl, der im UNILAC-Beschleuniger zu einer Fusion mit Bleikernen gebracht wurde. Die Fusionsprodukte wurden daraufhin mit dem TransActinide Separator and Chemistry Apparatus (TASCA) getrennt, was eine präzise Analyse der entstehenden Kerne ermöglichte. Insgesamt wurden 27 Rf-252-Atome registriert, deren Halbwertszeit auf 13 Mikrosekunden bestimmt wurde. Für den Grundzustand des Rf-252 konnte zudem eine Halbwertszeit von 60 Nanosekunden abgeleitet werden. Diese Entdeckung senkt die Lebensdauer schwerster Kerne um fast zwei Größenordnungen und eröffnet neue Forschungsansätze.
Eine Mindestlebensdauer von etwa einer Millionstel Sekunde ist notwendig, um superschwere Kerne experimentell nachweisen zu können. Forscher sind daher auch an den angeregten Zuständen dieser Kerne interessiert, die als Isomere langlebiger sein könnten und den Zugang zu kurzlebigen Kernen erleichtern. Zukünftige Experimente zur Messung dieser isomeren Zustände im Element Seaborgium (Sg, Element 106) sind bereits geplant.
Die Insel der Stabilität und ihre Bedeutung
Superschwere Elemente, definiert durch eine Protonenzahl von mehr als 104, sind nicht in der Natur zu finden und zerfallen in der Regel in Bruchteilen von Sekunden. Wichtig ist, dass sie durch Teilchenbeschleuniger hergestellt werden. Christoph Düllmann vom Institut für Kernchemie der Universität Mainz ist einer der führenden Forscher, der nach langlebigeren Elementen innerhalb der Insel der Stabilität sucht. Kürzlich wurden Elemente wie Flerovium (Element 114) und Livermorium (Element 116) offiziell anerkannt, während der Nachweis für Element 118 noch aussteht.
Durch die Fusionsmechanismen, bei denen Atomkerne leichterer Elemente miteinander verschmolzen werden, streben Wissenschaftler an, die fundamentalen Eigenschaften dieser superschweren Elemente zu untersuchen. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, da die Stabilität von Atomkernen durch die abstoßenden Kräfte zwischen positiv geladenen Protonen beeinträchtigt wird. Während die magischen Zahlen für Protonenschalen bei etwa 50 (wie in Zinn) und 82 (wie in Blei) liegen, liegt die nächste theoretische magische Zahl möglicherweise im Bereich von Element 114, 120 oder 126.
Die Ergebnisse der aktuellen Forschung schaffen neue Perspektiven für das internationale Beschleunigerzentrum FAIR in Darmstadt. Diese Institution ist ein entscheidender Akteur in der Erforschung schwerster Elemente und ihrer Eigenschaften, während sie gleichzeitig auf die Herausforderungen aufmerksam macht, die mit der kurzen Lebensdauer dieser Kerne verbunden sind. Die Suche nach stabileren nuklearen Konfigurationen wird mit Spannung verfolgt, da sie möglicherweise neue Erkenntnisse über die Natur der Materie liefern könnte. Weitere Informationen zu dieser bahnbrechenden Forschung finden Sie im Bericht von presse.uni-mainz.de und den Hintergrundartikeln auf weltderphysik.de.