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Der Coup der Russen: Element 114

Das schwerste Atom begeistert die Fachwelt. Russische Physiker sind ihren deutschen Kollegen zuvorgekommen: Sie haben das bislang schwerste Element erzeugt. Der Atomkern enthält 114 Protonen und besitzt erstaunliche Eigenschaften.

Das ist wie im Sport: Irgendwann ist auch mal der andere der erste.“ Dr. Sigurd Hofmann von der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt klingt überraschend fröhlich, obwohl ihm seine Kollegen aus dem russischen Dubna bei Moskau gerade eine begehrte Trophäe vor der Nase weggeschnappt haben. Ende vergangenen Jahres erzeugten sie als erste das Element 114 und erweiterten damit das Periodensystem der Elemente um ein Mitglied. In den vergangenen Jahren war die Entdeckung – besser: Erzeugung – künstlicher überschwerer Atome ein deutscher Alleingang: Von Element 108 bis 112 war Sigurd Hofmanns Truppe immer die erste, die den Erfolg vermelden durfte („110 und 111: Elemente vom Fließband“, bild der wissenschaft 2/1995).

Daß Hofmann dennoch strahlt, liegt an der Bedeutung der Entdeckung. Alle Atomkerne, die schwerer als das schwerste natürliche Element Uran mit 92 Protonen sind, zerfallen rasch in leichtere Atomkerne – um so schneller, je größer der Atomkern ist. Das an der GSI erzeugte Element 112 übersteht nur wenige Mikrosekunden. Die Kernphysiker hatten aber seit langem vorausgesagt, daß Element 114 mit seinen 114 Protonen im Atomkern besonders stabil sein müßte. Denn die Teilchen im Kern ordnen sich in Schalen an, und bei 114 Protonen ist gerade eine Schale gefüllt. Prof. Juri Oganesjan und sein Team in Dubna haben das bestätigt: Eine Halbwertszeit von 30 Sekunden ist für einen so riesigen Atomkern wie Element 114 eine halbe Ewigkeit.

Protonen sind aber nur die halbe Miete – auch die Zahl der Neutronen spielt eine Rolle. Bei 184 Neutronen müßte die Stabilität am größten sein, errechneten die Physiker. Mit 175 Neutronen – das macht summa summarum ein Atomgewicht von 289 – kamen die Forscher in Dubna nahe an diese Marke heran.

Die Entdeckung aus Rußland stützt sich nur auf ein einziges Atom – mehr fanden die Wissenschaftler nicht, obwohl sie sechs Wochen lang Kalzium-Atome (20 Protonen) auf Plutonium-Atome (94 Protonen) schos-sen: insgesamt rund fünf Milliarden Atome. Schwerionenphysiker sind wochenlanges Warten auf ein einziges Atom gewohnt und haben deshalb Vorkehrungen getroffen, daß ihnen das Ereignis nicht durch die Lappen geht. Trotzdem spricht Juri Oganesjan vorsichtig von einem guten Kandidaten für Element 114, das Wort „Nachweis“ vermeidet er noch.

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In dem gasgefüllten Detektor, den die Russen nach einem in Darmstadt entwickelten Modell gebaut haben, machen sich künstliche überschwere Atomkerne durch eine Reihe von Zerfällen bemerkbar. Bei Element 114 waren es zunächst drei Alphazerfälle, während denen jeweils ein Helium-Kern – das sind zwei Protonen und zwei Neutronen – abgegeben werden. Das resultierende Element 108 zerfällt in zwei Kerne. Insgesamt dauert diese Kette über 30 Minuten.

Mit dem Erfolg in Dubna könnte das Rennen um den besten Weg zur Synthese noch schwererer Elemente entschieden sein. Hier gab es in den letzten Jahren zwei konkurrierende Methoden, von den Physikern – etwas irreführend – kalte und heiße Fusion genannt. In Dubna setzten die Forscher zu Anfang auf die heiße Fusion, bei der eine sehr schwere, meist radioaktive Atomsorte – zum Beispiel Plutonium – als Target (Ziel) dient und mit leichteren Atomen bestrahlt wird. Weil die entstehenden Kerne sehr energiereich sind, bersten sie meist, ehe sie den Detektor hinter dem Schwerionenbeschleuniger erreichen. In Darmstadt bevorzugte man deshalb die kalte Fusion, wo etwas leichtere Atome – meist Blei – beschossen wurden. Damit hatten die Forscher jahrelang Erfolg.

Doch den Darmstädtern wurde immer klarer, daß sich noch schwerere Atome als Element 112 mit dieser Methode nur sehr schwer herstellen lassen. Der späte Erfolg aus Dubna mit der heißen Fusion ist deshalb ein Aufbruchssignal für die Forschungs-truppe um Sigurd Hofmann: „Auch wir werden in die heiße Fusion einsteigen.“ Doch zuvor sollen die Strahlintensitäten des GSI-Beschleunigers vervielfacht und neue Blei-Targets ausprobiert werden, um auch die kalte Fusion auszureizen.

Wie geht es weiter? Das naheliegende Ziel, die Lücke im Periodensystem zu schließen, die bei Element 113 klafft, reizt die Forscher nicht besonders. In Dubna will das Team andere Isotope – mit geringerer Neutronenzahl – von Element 114 herstellen, um es über die Zerfallsreihen an bekannte, leichtere Elemente anzukoppeln.

„Wir werden in etwa einem Jahr mit der heißen Fusion und leichteren Elementen beginnen und dann zu schwereren Atomkernen übergehen“, sagt Sigurd Hofmann. Doch das wird schwierig sein, weil nach Element 112 bei der heißen Fusion nur noch radioaktive Targets in Frage kommen, die mit Plutonium oder Curium geladen sind. Das Arbeiten mit ihnen wirft neue Sicherheitsfragen auf, die noch zu lösen sind.

Ziel ist das Element 114 mit 184 Neutronen – insgesamt also 298 Kernbausteinen. Auf dem Gipfel der Insel der Stabilität würde die Halbwertszeit nach den Rechnungen der Theoretiker 30 Jahre betragen. Ließen sich davon riesige Mengen herstellen, hätte man einen neuen Stoff geschaffen, der sich in chemischen Reaktionen einsetzen ließe, und der sich vielleicht sogar als Werkstoff eignen würde.

60 Prozent auf dem Weg zu dem Zukunftsszenario, das Hans Dominik in seinem Science-fiction-Buch „Atomgewicht 500“ schon 1935 angerissen hat, wären dann geschafft. „Wenn 114 geht, gehen auch 115 und 116“, sagt Hofmann optimistisch. Juri Oganesjan sieht das genauso: Er plant ein Experiment, bei dem 96-Curium mit 20-Kalzium beschossen wird. Das resultierende Element 116 könnte nach neuen Berechnungen sogar noch stabiler sein als Element 114.

Bernd Müller

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