Der Ursprung der schweren Elemente

Schwierige Erforschung

„Um die Häufigkeit der schweren Elemente im Universum zu verstehen, ist der r-Prozess enorm wichtig“, sagt Toshitaka Niwase vom KEK (Ko-Enerugi butsurigaku Kenkyusho), dem japanischen nationalen Forschungszentrum für Hochenergiephysik. Der r-Prozess wird deshalb weltweit intensiv studiert. Aber gerade bei den schweren Elementen gibt es bislang ein großes Problem: Die meisten Atomkerne, die beim r-Prozess eine Rolle spielen, sind nur sehr unzureichend erforscht, ihr Eigenschaften oft nur grob bekannt. Und einige der interessanten Atomkerne lassen sich noch nicht synthetisieren.

Das hat mehrere Gründe: So sind diese Atomkerne ungewöhnlich neutronenreich. Denn sie entstehen über einen rasanten Neutroneneinfang, wie er nur bei kataklysmischen kosmischen Bedingungen vorliegt. Deshalb sind sie auch weit von einem ausgeglichenen Verhältnis an Protonen und Neutronen entfernt und äußerst instabil. Ihre Halbwertszeiten sind sehr kurz. Sie reichen zum Teil von Sekundenbruchteilen bis Minuten.

Solche Atomkerne lassen sich nur schwer künstlich erzeugen: Eine Kernfusion, bei der man beispielsweise zwei mittelschwere Atomkerne in einem Teilchenbeschleuniger aufeinander schießt, kommt nicht in Betracht, da leichtere Atomkerne ein ausgeglichenes Verhältnis von Protonen zu Neutronen besitzen. Bei einer Fusion erhält man also keine derart neutronenreichen Atomkerne, wie man sie zum Studium des r-Prozesses benötigt. Auch lässt sich der schnelle Neutroneneinfang nicht gut im Labor nachstellen. Forschungsreaktoren können nicht derart enorme Neutronenströme erzeugen wie eine Neutronenstern-Kollision.

Produktion exotischer Atomkerne

„Wir haben deshalb eine andere Methode eingesetzt, die sogenannte Multi-Nukleon-Transfer-Reaktion“, sagt Niwase. „Dabei schießen wir mit einem Teilchenbeschleuniger schwere Atomkerne wie das Isotop Uran-238 auf ein Zielmaterial, und zwar mit der passenden Energie, sodass die Atomkerne nicht zertrümmert oder fusioniert werden, sondern nur einige Protonen und Neutronen auf die Uran-Kerne abgestreift werden.“ Diese Methode wurde schon 1959 entwickelt. Allerdings konnte ihr volles Potenzial gerade bei schweren Atomkernen bisher nicht gehoben werden, weil sie nur sehr schwer zu kontrollieren ist.

„Bei der Multi-Nukleon-Transfer-Reaktion hat man prinzipiell mit der Schwierigkeit zu kämpfen, dass die Reaktionsprodukte unter allen möglichen Winkeln und mit sehr unterschiedlichen Energien freigesetzt werden“, resümiert Niwase. Zudem entsteht nicht nur der gewünschte Atomkern, den man untersuchen kann, sondern es bilden sich eine ganze Reihe unterschiedlicher Atomkerne, die zudem unterschiedliche elektrische Ladungen tragen. Bislang war es zu kompliziert, diesen Flohzirkus aus neu entstandenen Atomkernen, die in unterschiedlichste Richtungen fliegen, zu bändigen.

Genau hier hat das japanische Forschungsteam einen wichtigen technologischen Durchbruch erzielt: die Entwicklung einer Anlage namens KISS (KEK Isotope Separation System). Damit kann man die neu entstandenen Atomkerne einfangen, kontrollieren und schließlich dem Analysesystem zuführen.

Als Ausgangsstrahl aus dem Teilchenbeschleuniger verwendeten die Forscher Uran-238. Dabei mussten sie besondere Vorkehrungen treffen, da Uran radioaktiv ist. Der Vorteil dieses Isotops liegt darin, dass es schon sehr neutronenreich ist und außerdem in der Nähe der zu erforschenden Isotope liegt. Einen solchen Uran-Strahl schossen die Forscher auf das Zielmaterial: eine rotierende Scheibe aus dem Isotop Platin-198 – ebenfalls ein schweres, aber stabiles Isotop.

Beim Zusammenprall der Atomkerne kann ein Austausch mehrerer Protonen und Neutronen stattfinden. Die Forscher interessierten sich vor allem für die neutronenreichen Atomkerne. „Mithilfe von KISS konnten wir genügend Teilchen für eine eingehende Untersuchung einfangen“, sagt Niwase.

Die Apparatur hat eine Gaszelle, die gleichmäßig vom Edelgas Argon durchströmt wird. Die eintretenden schweren Atomkerne, die aus der Multi-Nukleon-Transfer-Reaktion stammen, werden in diesem Gas gestoppt und neutralisiert. Anschließend ionisiert ein starker doppelter Laserstrahl elementspezifisch die schweren Atome. Dadurch lassen sich diese gezielt mit elektrischen Feldern aus dem Gas extrahieren und anschließend per Hochspannung in einem Massenspektrometer nach ihrem Gewicht sortieren.

Anschließend gelangen die schweren Atome in einen Behälter aus Helium-Gas, in dem sie gestoppt und abgekühlt werden, sodass man sie schließlich in einer Ionenfalle speichern kann. Die eingesammelten Atomkerne lassen sich dann in ein ebenfalls neu entwickeltes, spezielles Massenspektrometer einspeisen. In ihm werden die Atome mehrfach mit elektromagnetischen Feldern hin und her beschleunigt. Innerhalb einer hundertstel Sekunde flitzen sie mehrere hundert Mal von einer Seite auf die andere. „Auf diese Weise können wir ihre Masse hochgenau bestimmen“, sagt Niwase. Für einige der neutronenreichen schweren Kerne gibt es bislang nur recht ungenaue Masse-Messungen.

Die nun publizierten Ergebnisse stammen aus Versuchsreihen des Jahres 2022. Dabei gelang es, insgesamt 19 schwere, neutronenreiche Isotope zu vermessen. Dazu gehörten nicht nur acht verschiedene Isotope von Uran, sondern auch solche der Nachbarelemente Protactinium (eins unter Uran), Neptunium (eins über Uran) und Plutonium (zwei über Uran).

Neu entdecktes Uran-Isotop

Vor allem bei den sehr neutronenreichen Kernen wiesen die neuen Messungen einen deutlich geringeren Messfehler auf als frühere. KISS erlaubt Massenbestimmungen mit Unsicherheiten von nur wenigen Teilen pro Million. Das hilft sehr, die theoretischen Modelle einzugrenzen, mit denen solche Atomkerne beschrieben werden.

„Erstmals konnten wir auch das Isotop Uran-241 in unseren Daten finden, sozusagen als Nebenprodukt unserer Experimente“, freut sich Niwase. Uran-241 ließ sich in früheren Experimenten nie sicher nachweisen, obwohl die benachbarten Isotope Uran-240 und Uran-242 schon seit Jahrzehnten bekannt sind.

Viele der Atomkerne rund um Uran wurden in den 1940er- und 1950er-Jahren entdeckt – als die Kernphysik im Zusammenhang mit der Entwicklung von Atomwaffen und der ersten Kernkraftwerke einen großen Boom verzeichnete. Dann gab es eine Phase rund um die 1970er-Jahre, als man mit fortschrittlicheren Methoden vor allem neutronenreiche Isotope nachweisen konnte. So ist das schwerste und neutronenreichste Uran-Isotop, Uran-242, schon seit 1979 bekannt. Seit über 40 Jahren konnte jedoch trotz intensiver Bemühungen kein neues neutronenreiches Uran-Isotop mehr gefunden werden – bis jetzt.

Das weckt Hoffnungen, künftig noch mehr exotische Atomkerne erzeugen und studieren zu können. „Dank unserer Apparatur ist es uns gelungen, erstmals schwere, neutronenreiche Atomkerne zu untersuchen, die mit der Multi-Nukleon-Transfer-Reaktion erzeugt wurden“, sagt Niwase. Damit eröffnen sich viele neue Forschungsmöglichkeiten, um einen ganzen Bereich solcher Isotope zu charakterisieren, über den bisher nur wenig bekannt ist.

Vorstoß zu noch schwereren Kernen

Es gibt bereits Ideen, den Uran-238-Strahl nicht auf ein Zielmaterial aus Platin schießen, sondern auf eines, das ebenfalls aus Uran-238 besteht, oder sogar auf eines aus Curium-248. Damit könnte man noch schwerere und neutronenreichere Isotope produzieren und vermessen. Das wiederum würde einige Rückschlüsse über den tatsächlichen Ablauf des r-Prozesses zulassen, denn bei diesem Prozess wandern die Atomkerne auf der neutronenlastigen Seite der Nuklidkarte von Element zu Element nach oben.

Mit Ausnahme von Uran und Thorium haben alle schweren Elemente eine auf geologischen Zeitskalen kurze Halbwertszeit – im Gegensatz zu Jahrmilliarden bei Uran oft nur einige Minuten bis Jahrtausende, besonders instabile Isotope sogar nur Sekundenbruchteile. Das Uran, das wir heute auf der Erde finden, ist also ein Überbleibsel jener schweren Elemente, die irgendwann vor Jahrmilliarden – vermutlich bei einer brachialen Neutronenstern-Kollision – erzeugt und im All verteilt wurden. Dieses Material hat sich dann mit anderen Elementen aus Supernovae und kosmischen Gaswolken vermischt, bevor schließlich daraus unsere Erde und das ganze Sonnensystem entstanden ist.

Mithilfe von KISS wollen die Forscher noch weitere dieser Isotope untersuchen. Sie hoffen außerdem, das bislang noch unbekannte Uran-244 zu entdecken. Von diesem Isotop erwarten Theoretiker, dass es eine besondere Neutronenstruktur aufweist, die zu einer ungewöhnlich hohen Stabilität des Atomkerns führen könnte.

Eine solche Messung wäre für die Modellierung so schwerer Atomkerne besonders wichtig – und zwar nicht nur für die Berechnungen zum r-Prozess, sondern allgemein für das Verständnis kernphysikalischer Grundlagen. Deshalb schauen nun Forschungsgruppen von Kernphysikern weltweit auf die neuen Möglichkeiten der Multi-Nukleon-Transfer-Reaktionen. Die Nuklidkarte wird sich wohl bald abermals erweitern.