Der neunte Zerfall

Kernreaktoren nutzen ihn genau wie Atombomben – den radioaktiven Zerfall. Physiker enthüllen jetzt die Details einer neuen Zerfallsart.

Der grösste Teil der Materie, die uns umgibt, ist stabil. Das bedeutet, dass die Kerne der Atome so bleiben, wie sie sind. Ein kleiner Teil der natürlichen Materie zerfällt jedoch radioaktiv: Die Atomkerne wandeln sich unter Aussendung von Strahlung oder Teilchen in andere Kerne um. Die Details einer neuen radioaktiven Zerfallsart hat jetzt ein internationales Physikerteam mit dem Teilchenbeschleuniger des National Superconducting Cyclotron Laboratory (NSCL) in Michigan Details entschlüsselt. 2002 wurde dieser Zweiprotonen-Zerfall erstmals experimentell nachgewiesen.

Bereits zu Beginn der Sechzigerjahre sagte der sowjetische Theoretiker Vitali Goldansky voraus, dass ein Atomkern unter bestimmten Bedingungen gleichzeitig zwei Protonen abstößt. Und Berechnungen in den Neunzigerjahren zeigten, dass der optimale Kandidat für diesen Zerfall der Eisenkern 45Fe ist. „Fe" ist das chemische Zeichen für Eisen, und die „45" steht für die Gesamtzahl der Neutronen und Protonen in diesem Kern. Anders als die Eisenkerne 56Fe, aus denen das Eisen unserer Umgebung zu über 90 Prozent besteht, „leidet" 45Fe unter starkem Neutronen-Mangel. Während bei 56Fe das Verhältnis von Neutronen zu Protonen mit 30 zu 26 in etwa ausgeglichen ist, besitzt 45Fe nur 19 Neutronen, aber wie alle Eisenatomkerne ebenfalls 26 Protonen. Das macht 45Fe hochgradig instabil, weil die Gesetze der Quantenphysik eher einen leichten Neutronenüberschuss bevorzugen (bild der wissenschaft 05/2008, „Das Spielbrett der Schöpfung"). Die Folge ist, dass 45Fe nach einer Möglichkeit „sucht", sein Neutron-Proton-Verhältnis zu verbessern. „Der Kern 45Fe hat dazu zwei Zerfallsmöglichkeiten", erklärt Marek Pfützner von der Universität Warschau.

„Er kann, wie von Goldansky vorausgesagt, zwei Protonen abstoßen – oder bei einem sogenannten Betaplus-Zerfall ein Proton in ein Neutron umwandeln. Dabei ist der Zweiprotonen-Zerfall bei 45Fe schnell genug, um im Wettbewerb mit dem Betaplus-Zerfall genügend oft zu gewinnen." Wäre dies nicht der Fall, dann wäre nur ein winziger Bruchteil aller 45Fe-Zerfälle Zweiprotonen-Zerfälle, und entsprechend schwierig wäre ihr Nachweis.

KAMPF DER KRÄFTE

Doch zunächst einmal galt es, eine grundsätzliche Frage zu klären – nämlich die, ob der Kern 45Fe überhaupt existieren kann. Denn das ist keineswegs selbstverständlich, weil zwei seiner Protonen durch die starke Kernkraft, die die Atomkerne zusammenhält, nicht an ihn gebunden sind. Im Klartext heißt das: Eigentlich sollte man erwarten, dass diese beiden Teilchen sich sofort auf Nimmerwiedersehen von ihrem Kern verabschieden. Hätte man es nicht mit ungebundenen Protonen, sondern mit ungebundenen Neutronen zu tun, dann würde auch genau das passieren: Ein solcher Kern könnte nicht einmal einen winzigen Sekundenbruchteil lang existieren. Doch auf die elektrisch positiv geladenen Protonen wirkt zusätzlich zur Kernkraft noch die elektromagnetische Kraft, die zwischen geladenen Partikeln herrscht. Obwohl sie bei den gleich geladenen Protonen abstoßend ist, verhindert die kombinierte Wirkung beider Kräfte doch den sofortigen Zerfall von 45Fe. Aus Sicht der klassischen Physik würde der Zerfall von 45Fe dadurch sogar ganz und gar verhindert. Doch der von der Quantentheorie beschriebene Tunneleffekt erlaubt es ihnen: Demnach können Teilchen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit eine Potenzialbarriere überwinden, weil ihnen die „Quantenunschärfe" kurzfristig Energie verleiht.

AUS NICKEL WIRD EISEN

Dass bei 45Fe gleich zwei Protonen ungebunden sind, liegt an der sogenannten Paarkraft. „Diese ist ein Teil der starken Kernkraft und bindet jeweils zwei Neutronen oder zwei Protonen aneinander", erklärt Pfützner. Dass 45Fe 26 Protonen besitzt, also eine gerade Zahl, ist somit eine weitere Voraussetzung, die diesen Kern zu einem Kandidaten für einen Zweiprotonen-Zerfall macht. „Theoretiker haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass 45Fe alle dafür notwendigen Voraussetzungen erfüllt", sagt Pfützner, der bereits im Jahr 2002 an der Entdeckung des Zweiprotonen-Zerfalls bei der GSI, der Gesellschaft für Schwerionenforschung, in Darmstadt beteiligt war. Im Teilchenbeschleuniger NSCL hat Pfützners Team nun Nickelkerne 58Ni auf ein ebenfalls aus Nickel bestehendes Ziel geschossen. Dadurch werden die Nickel-Kerne aufgebrochen, und es entstehen kleinere Kerne mit weniger Protonen und Neutronen. „Es ist nicht leicht, einen so neutronenarmen Kern wie 45Fe zu erzeugen", erklärt Pfützner. „Als Geschosse können wir nur stabile Kerne verwenden. Deren Neutronen- und Protonenzahl sollte so nah wie möglich an den Werten von 45Fe liegen." Die Wahl fällt deshalb auf 58Ni, das zwei Protonen und elf Neutronen mehr hat als 45Fe.

Zwar hat der stabile Eisenkern 54Fe nur neun Neutronen mehr als 45Fe, aber es ist äußerst unwahrscheinlich, dass bei einer Kernkollision ausschließlich Neutronen entfernt werden. Während des neun Tage dauernden Experiments beobachteten die Physiker 125 Zerfälle, die sie aufgrund der Übereinstimmung ihrer Messdaten mit den theoretischen Vorhersagen eindeutig dem Kern 45Fe zuordnen konnten. 87 davon waren Zweiprotonen-Zerfälle und 38 Betaplus-Zerfälle. Bei der Messung der Daten der abgestoßenen Protonen ging das Team um Pfützner einen neuen originellen Weg. Die Protonen wurden dazu – wie üblich – durch eine Gaskammer geschickt. Das Gas war eine Mischung aus Helium (66 Prozent), Argon (32 Prozent), Stickstoff und Methan (jeweils 1 Prozent) bei Atmosphärendruck. Die Folge: Die Protonen schlugen Elektronen aus den Gasatomen heraus und brachten sie so zum Leuchten. Auch die Spur des Eisenkerns (45Fe) ließ sich anhand der von ihm „ befreiten" Elektronen des Gases erkennen. Bisher musste man die Elektronen registrieren und auswerten, um Informationen über die Protonen zu erhalten. Pfützners Team wählte jedoch die Zusammensetzung des Gases so, dass ein herausgeschlagenes Elektron weitere Elektronen erzeugte, die schließlich Gasatome zum Leuchten anregten. „Dieses Licht konnten wir mit einer besonders empfindlichen, speziell für wissenschaftliche Zwecke entwickelten Digitalkamera aufzeichnen", sagt Pfützner.

LEUCHTENDE SPUREN IM GAS

Diese Methode war bereits 1987 von seinem heutigem Mitarbeiter, Wojciech Dominik, entwickelt worden, aber später wieder in Vergessenheit geraten. Die leuchtenden Gasatome markieren gleichsam die Bewegungsspuren der beim Zerfall freigesetzten Protonen. Mit ihren Daten konnten die Physiker die Theorie widerlegen, dass die beiden ausgestoßenen Protonen sich für einen winzigen Sekundenbruchteil zu einem Heliumkern 2He vereinigen. „Außerdem haben wir gelernt, in welchen Orbitalen die beiden am wenigsten gebundenen Protonen von 45Fe sitzen", ergänzt Pfützner. „Das ist ein Test für die Richtigkeit der derzeitigen Kernmodelle." Im Hinblick auf das Fernziel – zu lernen, wie sich die Kernkräfte aus den Kräften der Quarks ergeben – ist Pfützner allerdings skeptisch: „Das ist ein so weiter Weg, dass wir das möglicherweise nie schaffen werden. Aber ich lasse mich in diesem Punkt gerne widerlegen." ■

AXEL TILLEMANS, promovierter Physiker und freier Wissenschaftsjournalist, berichtete in bdw 5/2008 bereits über die Entstehung der Elemente.

von Axel Tillemans

RADIOAKTIVE PROZESSE – Die WICHTIGSTEN ZERFALLSARTEN

Cluster-zerfall

Der Cluster-Zerfall wurde 1984 entdeckt und ähnelt dem Alpha-Zerfall. Dabei werden jedoch größere Kerne („Cluster", Haufen) als 4He vom Mutterkern abgespalten. Beispielsweise kann der Radiumkern 223Ra einen Kohlenstoffkern 14C emittieren. Das geschieht aber eine Milliarde Mal seltener als ein Alpha- Zerfall. Auch verschiedene Sorten von Thorium- und Uran-Atomen unterliegen dem Cluster-Zerfall.

Kompakt

· Alpha-, Beta- und Gammastrahlung sind nicht alles – inzwischen kann man neun verschiedene Arten von Radioaktivität unterscheiden.

· Beim extrem seltenen Zweiprotonen-Zerfall sendet ein leichter Eisenkern zwei Protonen aus.

· Dieser Prozess konnte jetzt sogar fotografiert werden.

Alpha-zerfall

1896 entdeckte Henri Becquerel, dass Uranerz eine „Strahlung" aussendet, die von Ernest Rutherford Alphastrahlung genannt wurde. Sie besteht aber nicht aus elektromagnetischer Strahlung, sondern aus Teilchen, nämlich aus Heliumkernen 4He. Das Uranatom 238U verwandelt sich beim Alphazerfall in ein Thorium-Atom (234Th), das alsbald seine beiden überschüssigen Elektronen abgibt.

Beta-zerfall

Eine zweite andersartige „Strahlung", die ebenfalls von Uranerz ausgeht, taufte Rutherford Betastrahlung. Auch hier gibt der Urankern keine Strahlung ab, sondern emittiert ein Elektron (e– ) und ein Antineutrino (ye), während sich im Kern ein Neutron (n) in ein Proton (p) umwandelt. Diese 1896 entdeckte Zerfallsart heißt heute Beta-Zerfall. Auch der Zerfall einzelner Neutronen zählt dazu.

Gammastrahlung

Bei Experimenten mit Uran und Radium entdeckte Paul Villard 1900 die Gammastrahlung als weitere Komponente des radioaktiven Zerfalls. Sie entsteht oft als Folge eines vorhergehenden Alpha- oder Beta-Zerfalls, der den Atomkern in der Regel in einen angeregten Zustand versetzt. Der Atomkern gibt seine überschüssige Energie dann als hochfrequente elektromagnetische Strahlung ab.

Betaplus-zerfall

Entdeckt wurde der Betaplus-Zerfall (inverser Beta-Zerfall) 1934 von Irène und Frédéric Joliot-Curie. Er ist das Gegenstück zum Beta-Zerfall. Dabei wandelt sich ein Proton (p) im Atomkern in ein Neutron (n) um. Emittiert werden ein Positron (e+)– das positiv geladene Antiteilchen des Elektrons – und ein Neutrino (ye). Einzelne angeregte Protonen können nur innerhalb des Kerns zerfallen, nicht isoliert wie Neutronen.

Spaltung

1938 beobachteten Otto Hahn und Fritz Strassmann, dass sich Atomkerne spalten lassen, wenn man sie mit Neutronen (n) beschießt. 1939 fanden russische Physiker, dass sich Kerne auch spontan spalten können. Dabei entstehen neben zwei Tochterkernen auch Neutronen, die eine Kettenreaktion auslösen können.

Einprotonen-ZERFALL

Manche protonenreiche Kerne können aus dem Grundzustand heraus ein Proton (p) emittieren. Ähnlich wie beim Zweiprotonen-Zerfall ist das Proton ungebunden und muss nur eine energetische Barriere überwinden. Der Einprotonen-Zerfall wurde erstmals 1981 von Sigurd Hofmann in Darmstadt beobachtet. Emissionen eines Protons von einem energetisch angeregten Kern kannte man schon vorher.

Doppelter BetA-zerfall

Die gleichzeitige Umwandlung von zwei Protonen in zwei Neutronen mit der Emission je eines Paars von Elektronen (e–) und Antineutrinos (ye) führt zum doppelten Beta-Zerfall. Er wurde 1935 von Maria Goeppert-Mayer vorhergesagt und 1986 nachgewiesen. 2002 fand ein Team um Hans-Volker Klapdor- Kleingrothaus vom MPI für Kernphysik in Heidelberg Indizien für die Existenz einer neutrinolosen Zerfallsvariante.

Zweiprotonen-zerfall

Ähnlich wie beim Einprotonen-Zerfall werden beim Zweiprotonen-Zerfall zwei Protonen (p) aus dem Grundzustand emittiert. Dieser Zerfall wurde bereits 1960 vorausgesagt und erstmals 2002 beobachtet, unter anderem bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt. Der direkte Nachweis der emittierten Protonen gelang jedoch erst 2008 einem internationalen Physikerteam in Michigan (siehe Foto oben).

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