An der Grenze des Periodensystems

Durch den Beschuss mit Neutronen und Wasserstoff- oder Heliumkernen wurden bis zum Jahr 1955 lückenlos alle Elemente bis zur Ordnungszahl 101 erzeugt. Um weitere neue Elemente zu erzeugen, musste man ein Zielelement, etwa Curium (Ordnungszahl 96), mit schweren Ionen beschießen. Dafür sind spezielle Teilchenbeschleuniger nötig. Seit 1975 ist am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt der Linearbeschleuniger Universal Linear Accelerator (UNILAC) in Betrieb. Ein Novum zu jener Zeit, denn die Anlage der Gesellschaft für Schwerionenforschung war die erste, bei der man beliebige Ionen, ob leicht oder schwer, mit einer bestimmten gewünschten Energie erzeugen konnte.

Damit ein Ion mit einem Atomkern des Zielelements verschmelzen kann, muss seine Energie so hoch sein, dass es beim Zusammenstoß die sogenannte Coulomb-Barriere überwindet. Hierbei handelt es sich um eine Art energetische Hürde, die besteht, weil sich die beiden positiv geladenen Teilchen gegenseitig abstoßen. Im Teilchenbeschleuniger werden die Ionen daher auf eine Geschwindigkeit von mehrere Zehntausend Metern pro Sekunde gebracht. Dadurch übersteigt die Wucht des Ions die Abstoßungskräfte – und die beiden Teilchen verschmelzen zu einem neuen Element. So weit die Theorie. Doch in der Praxis hängt der Erfolg von so vielen komplexen Faktoren ab, dass die Elementsynthese letztlich nur sehr selten glückt. Christoph Düllmann, Leiter der Arbeitsgruppe Chemie der superschweren Elemente an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, dem GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt und dem Helmholtz-Institut Mainz erklärt: „Unsere Messzeit für ein Experiment beträgt etwa einen Monat.“ In dieser Zeit arbeitet ein Team im Schichtwechsel ohne Pausen daran, ein superschweres Element zu erzeugen. „Oft gelingt uns das gar nicht, und wenn, dann können wir manchmal nur ein einziges Atom nachweisen, das wirklich neu ist“, sagt Düllmann.

In den Anfangszeiten der UNILAC-Anlage waren die Forschenden sehr erfolgreich. Zwischen 1981 und 1996 wurden am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung gleich sechs neue Elemente synthetisiert: Die Elemente der Ordnungszahlen 107 bis 112. Forschende wie Christoph Düllmann nennen sie die „Superheavies“. Ihre offiziellen Namen klingen verheißungsvoll: Meitnerium oder Copernicum beispielsweise. Das Element mit der Nummer 110 trägt sogar den Namen seines Entstehungsorts: Darmstadtium. Die Namen für die neuen Elemente legt die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) fest. Zwar können Forschende, wenn sie ein neues Element entdecken, einen Namen vorschlagen. Aber einen Anspruch darauf, dass er übernommen wird, haben sie nicht.

Jahrelange Namensfindung

Oft dauert es Jahre, bis eine Entdeckung auch wirklich offiziell anerkannt wird. Zuerst überprüfen andere Forschende, ob sie das Experiment reproduzieren können und identische Daten messen. „Es dauert 10^–14 Sekunden, bis sich die Elektronen um einen Kern arrangiert haben und das Atom sozusagen fertig ist“, erklärt Düllmann. „Es gibt superschwere Kerne, die man zwar nachgewiesen hat, die aber vielleicht schon nach 10^–18 Sekunden wieder zerfallen sind. So ein Fall war dann eben nur ein Kern – kein neues Element“, so der Forscher weiter.

Besteht Einigkeit darüber, dass wirklich ein neues Element nachgewiesen wurde, beginnt die Namensfindung. Meist dauert auch das noch einmal mehrere Jahre. Beim Element 108, das 1984 von der GSI in Darmstadt erstmals erzeugt wurde, schlugen ihre Entdecker den Namen Hassium vor, der sich von der lateinischen Bezeichnung für Hessen ableitet. Die IUPAC erkannte den Namen jedoch nicht an und nannte das Element 1994 Hahnium. Namenspate sollte Otto Hahn sein, ein deutscher Chemiker und Mitentdecker der Kernspaltung, der sich mit Radioaktivität und Radiochemie beschäftigte. Weil der Name Hahnium aber von vielen Forschenden schon länger für das Element mit der Nummer 105 verwendet wurde, änderte die IUPAC 1997 den Namen in Hassium und übernahm damit dann doch den ursprünglichen Vorschlag der Forschenden von der GSI.

Ähnlich chaotisch ging es auch beim Element mit der Ordnungszahl 105 selbst zu: Die Forschungszentren im russischen Dubna und dem US-amerikanischen Berkeley stritten sich über viele Jahre hinweg, wer von ihnen es als Erstes detektiert hatte. So nannten es zwischendurch die einen Hahnium und die anderen Nielsbohrium. Die IUPAC bezeichnete es ab 1994 als Joliotium und ab 1997 wiederum als Dubnium, wie es heute noch genannt wird.

Von Namenskontroversen lässt sich das wissenschaftliche Team des GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung aber nicht abschrecken. „Wir sind eines der führenden Zentren weltweit, was die Erzeugung der schwersten Elemente betrifft“, sagt Düllmann. Voraussichtlich 2028 steht dann ein gigantisches Upgrade an. Im neuen Vorzeigeprojekt Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) arbeiten die Forschenden mit einem zyklischen Röhrentunnel. Damit können auch andere Forschungsinteressen verfolgt werden. Die Untersuchung der superschweren Elemente ist nämlich nur ein Teil der Forschung, die an der FAIR-Anlage möglich sein wird.

Bis ans Limit

Mit der derzeitigen Beschleunigeranlage können auf einer Länge von 120 Metern Ionen auf bis zu 60.000 Kilometer pro Sekunde beschleunigt werden. Das entspricht gerade mal 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit – und somit ist noch lange nicht das Limit erreicht. Im Vergleich zu einem linearen Teilchenbeschleuniger spart ein ringförmiger enorm Platz. Hier fliegen Ionen rasend schnell im Kreis und werden von einem 130.000 Volt starken elektrischen Feld immer weiter beschleunigt, bis sie schließlich fast Lichtgeschwindigkeit erreichen. Ein starkes Magnetfeld hält sie auf ihrer Bahn und lenkt sie in einen Separator.

Weltweit gibt es nur etwa eine Handvoll weitere Forschungszentren, die eine Nukleosynthese wie am GSI zustande bringen können. Solche Zentren sind beispielsweise das LBNL in den USA, das RIKEN in der Nähe von Tokio, das GANIL in Caen in Frankreich und das JINR im russischen Dubna. An diesen Forschungseinrichtungen arbeiten interdisziplinäre Teams quasi im Wettlauf daran, die Grenze des Periodensystems Element für Element immer weiter zu verschieben. Dabei ist nicht klar, ob es überhaupt ein Limit gibt. Düllmann sagt: „Viel mehr sind wir in der Erzeugung technisch begrenzt. Denn das Targetmaterial, das wir brauchen, ist an sich schon instabil und nicht einfach zugänglich.“

Magische Zahlen

Atomkerne mit einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen sind stabiler als andere. Forschende beobachteten, dass es für manche Protonen- oder Neutronenzahlen besonders schwerfällt, einzelne Teilchen aus dem Kern zu entfernen. Erklären lässt sich das anhand eines Schalenmodells, das maßgeblich von der deutsch-amerikanischen Physikerin Maria Göppert-Mayer um 1949 ausgearbeitet wurde und mit den Prinzipien der Quantenmechanik arbeitet. Für ihre Arbeit an der nuklearen Schalenstruktur erhielt sie im Jahr 1963, als zweite Frau überhaupt, den Nobelpreis für Physik.

Das Modell nach Göppert-Mayer ordnet den Kernbestandteilen bestimmte Energiewerte und bestimmte Bahnen zu, auf denen sich die Teilchen aufhalten. Es zeigte, dass Kerne mit sogenannten Magischen Zahlen, also einer bestimmten Anzahl von Protonen und Neutronen, besonders stabil sind. Das Element Zinn mit einer magischen Protonenzahl von 50 kommt in der Natur in gleich zehn Varianten mit jeweils unterschiedlicher Neutronenzahl vor. Atomkerne eines Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen, werden als Isotope bezeichnet.

Durch die empirischen Befunde entdeckten Forschende neben der 50 noch weitere magische Zahlen: 2, 8, 20, 28 und 126. Einige Elemente besitzen einen gleich doppelt magischen Kern. Das Isotop Calcium-48 mit einer magischen Anzahl von 20 Protonen und 28 Neutronen ist ein solcher Kern. Mit einer Halbwertszeit von 6 ⋅10¹⁸ Jahren ist er nahezu bis in alle Ewigkeit stabil.

Genau solche Kerne verwenden Düllmann und sein Team zur Herstellung von neuen superschweren Elementen. „Es hat sich gezeigt, dass es besonders günstig ist, für das Projektil ein Ion zu verwenden, dass eine magische oder sogar doppelt magische Protonen- und Neutronenzahl hat und zudem möglichst klein ist. Die Zerfallsreaktionen der neuen Kerne werden so vermindert“, erklärt er. Das ist aber nicht der einzige Grund, der ihn zuversichtlich macht, dass weitere neue Elemente folgen werden. In gewisser Weise sagen das die magischen Zahlen voraus: So wurde auf Basis von theoretischen Berechnungen schon lange prognostiziert, dass mit einer Protonenzahl von 114 ein vergleichsweise stabiles Element zu erwarten ist. Und siehe da: Tatsächlich wird das für das Element Flerovium auch erfüllt. Es gibt gleich mehrere Isotope, die alle Halbwertszeiten von zumindest einigen Sekunden haben. Ein doppelt magisches Flerovium-298 konnte allerdings noch nicht gefunden werden. Es würde in seinem Kern gleich zwei magische Zahlen beherbergen: 114 Protonen und 184 Neutronen. Das sagen zumindest die Rechnungen zu diesem Kern voraus.

Nichtsdestotrotz weiß man aus aktuellen Forschungsergebnissen, dass eine Insel erhöhter Stabilität bereits erreicht wurde. Denn in der Nachbarschaft um Element 114 gibt es mehrere Kerne mit Halbwertszeiten von bis zu einer halben Stunde, während superschwere Kerne mit einer höheren Ordnungszahl als 114 oft nur einige Bruchteile von Sekunden beständig sind. Bei Vorhersagen von Halbwertszeiten noch unentdeckter Elemente ist jedoch Vorsicht geboten. Zwar lassen sich diese rechnerisch ermitteln, doch die Ergebnisse sind sehr stark von der Art des verwendeten Modells abhängig. „Wir sehen in theoretischen Kalkulationen Unterschiede von mehreren Größenordnungen“, sagt Düllmann und stellt klar, dass selbst für bekannte Kerne noch sehr große Unterschiede zwischen den Ergebnissen verschiedener Methoden bestehen. „Vermutlich gibt es ein Rechenergebnis, das später einmal dem wahren Wert entspricht, aber es gibt eben auch noch viele andere“, sagt er.

Neben der Jagd nach neuen Elementen ist die Untersuchung der jüngst entdeckten spannend. „Uns interessieren ihre Zerfallsprozesse, aber auch die Eigenschaften ihrer Atomhülle und ihre chemische Reaktivität“, sagt Düllmann. Seit 2012 führt er am GSI keine Entdeckerexperimente mehr durch. Mit seinem Team untersucht er stattdessen, wie sich die neuen Elemente chemisch verhalten. Dazu schießen die Forschenden die superschweren Elemente in einen Kanal mit Goldoberfläche und untersuchen, ob sich Atome an der Oberfläche des Edelmetalls anlagern. Tun sie das nicht, verhalten sie sich wie unreaktive Edelgase. Lagern sie sich an, haben sie eher Metallcharakter.

So geht es in der Schwerionenforschung nicht nur um den Wettlauf, wer das nächste neue Element entdeckt, sondern auch um den Erkenntnisgewinn, der dabei anfällt. „Es ist die Breite der Forschung, die unseren Bereich so unheimlich spannend macht“, sagt Düllmann. Und er hat Recht, denn es geht gleichzeitig um gigantische Energien und Reaktionen, wie sie im Inneren von Sternen ablaufen. Aber auch um Modelle zum Aufbau unserer Materie – und die Frage, ob diese für die neuen Elemente immer noch stimmig sind.