Atomare Schwergewichte

Manche versuchen, superschwere Atome einfach „nur“ herzustellen. Ist das gelungen und der Nachweis erbracht, dann ist der Kernphysiker zufrieden. Ihm reichen dafür ein paar Mikrosekunden. In dieser Zeitspanne gelangt der frisch gebildete Atomkern in den Detektor, der dessen Einschlag und danach den Zerfall misst. Nach wissenschaftlicher Nomenklatur wurde in diesem Fall ein neues superschweres Element erzeugt und kann den bekannten hinzugefügt werden – mit dem Recht auf Namensgebung durch seinen Entdecker beziehungsweise der Forschergruppe, der das gelang. Den Schwergewichts-Rekord hält heute (noch) das Oganesson mit der Ordnungszahl 118, eine Zahl, die sich von der Anzahl der Protonen im Kern herleitet. Zum Vergleich: das schwerste auf der Erde bekannte Element Uran hat die Ordnungszahl 92.

Für den Kernchemiker ist dieser „nackte“ Kern allerdings nicht das Ziel seiner Träume, denn ihn interessiert vor allem das Atom als Ganzes. Chemieexperimente sind aber in einer Mikrosekunde nicht umzusetzen, der Chemiker braucht dafür „viel“ mehr Zeit: Er denkt in experimentellen Vorgängen mit einer Zeitspanne von einer Sekunde. Die versetzt den Kernchemiker nun in der Lage, Experimente am Objekt durchzuführen, mit denen sich die chemischen Eigenschaften untersuchen lassen. Erst damit kann ermittelt werden, ob das neue Element der Struktur des Periodensystems gehorcht. Vorher bleiben superschwere Atome darin ein undefiniertes „Etwas“, für das trotz seiner physikalischen Existenz der chemische Bestimmungsprozess noch gänzlich offen ist.

Christoph Düllmann befasst sich als Kernchemiker mit der Erzeugung unbekannter Elemente, derzeit aber auch oft mit dem Element Flerovium – Ordnungszahl 114. Es ist nicht das schwerste jemals entdeckte Superatom, aber eines, das im Labor heute gerade lange genug existiert, um an der Front der Forschung chemisch vermessbar zu sein. Düllmann arbeitet an der hundert Meter langen Beschleunigeranlage der GSI in Darmstadt. Beim grundlegenden Versuchsaufbau geht es wie bei den Versuchen zur Erzeugung bisher unbekannter Elemente darum, schwere ionisierte Atomkerne mit etwa zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit als Projektile auf ein sogenanntes Target zu schießen. Wohlgemerkt: Nicht, dass superschwere Atome beim meist wochen- bis monatelangen Beschuss in großer Zahl herstellbar wären. Der Kernchemiker muss bei solchen Experimenten mit dem Mangel zurechtkommen. Denn nur höchst selten entsteht ein solches superschweres Atom – eines am Tag, und Düllmann ist schon zufrieden. Der maschinelle Aufwand für das Experiment mit einem einzigen Atom ist zwar gewaltig, aber am Ende spielt sich alles in einem gerade mal dreißig Zentimeter langen Detektorkanal ab, in den das isolierte Flevorium-Atom geblasen wird. Darin befinden sich zwei nur 1/10 mm voneinander getrennte Detektorreihen, goldbeschichtet und unterschiedlich temperiert, von Zimmertemperatur bis hinunter zu minus 170 Grad. An welchem Detektor sich das Atom anheftet und dann zerfällt, charakterisiert die chemischen Eigenschaften. In jedem Fall gilt aber: In gut einer Sekunde ist dann alles schon vorbei.


Die zwei dreißig Zentimeter langen Detektoren-Reihen (aufgeklappt). Copyright: A. Yakushev

Die Klärung der Frage nach dem chemischen Charakter der schwersten Elemente ist den „relativistischen Effekten“ auf der Spur: Je mehr Protonen sich im Kern des Atoms sammeln, desto mehr steigt auch die Geschwindigkeit der um den Kern kreisenden Elektronen. Sie wächst dann im Beispiel von Flerovium auf achtzig Prozent der Lichtgeschwindigkeit an. Die Relativitätstheorie sagt, dass so schnell bewegte Objekte schwerer werden – und das ganz gleich, ob es sich um astronomische Objekte oder aber um Elektronen in einem Atom handelt. Das muss das chemische Verhalten solcher Elemente beeinflussen – aber wie? Das unterhalb des Blei stehende Flerovium ist dann möglicherweise gar nicht mehr so bleiähnlich, wie dies die Stellung im Periodensystem erwarten lassen würde. Doch die Experimente sind sehr komplex, und oft können nur einige wenige Atome beobachtet werden. So kommt es vor, dass unterschiedliche Forschergruppen für das gleiche Element zu unterschiedlichen Ergebnissen ihrer Messungen kommen. Beim Flerovium ist heute längst noch nicht final geklärt, ob es sich um ein metallisches Element handelt, wie von Düllmann erwartet, oder vielleicht doch eher um ein edelgasähnliches Element, wie es ein anderes Forschungsteam am gleichen Objekt für nachgewiesen hält.

Auf den ersten Blick mutet solche Forschung ziemlich „speziell“ an, um es einmal so zu formulieren. Doch dahinter liegt eine der ganz großen Fragestellungen der Physik und der Chemie. Am Ende geht es nämlich darum, ob das Periodensystem ein natürliches Ende hat oder nicht, ob es also im Labor – und entsprechend auch in den Sternen und Supernovae oder bei der Fusion von Neutronensternen – eine universale Obergrenze der möglichen Entstehung schwerer Elemente gibt. Niemand kann das heute mit Bestimmtheit sagen, aber die Theorie vermutet „ja“, und der Experimentator Düllmann hält es – auf dieser Grundlage und in aller Vorsicht selbstverständlich! – für „sehr wahrscheinlich“, dass es dieses natürliche Ende des Periodensystems gibt: eine Grenze des universell „Machbaren“ atomarer Stofflichkeit. Wo aber liegt sie – und was definiert sie? Niemand hat darauf heute eine nachweisbare Antwort, weil Theorien darauf unterschiedliche Antworten geben.

In jedem Fall spielen dabei auch die fundamentalen Kräfte eine Rolle, denn sie halten nicht nur die Planetensysteme und Galaxien zusammen, sondern auch die Atome der Mikrowelt. Wenn jedoch – heute nur postuliert, weil experimentell eben nicht nachweisbar – die Anziehungskraft eines Atomkerns auf die umlaufenden Elektronen so groß wird, dass sich – der berühmten Formel Einsteins entsprechend – aus dieser Bindungsenergie spontan Materie bilden kann, dann gibt es ein Problem – auch für die Stabilität eines atomaren Systems. Heute reichen die Diskussionen solcher Fragen ins Spekulative, aber Forscher wie Düllmann hoffen, dass Experimente uns dazu irgendwann einmal eine gesicherte Antwort darauf geben können.

Den Moderationstext der Sendung gibt es wie üblich – hier.

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Ich habe viele Jahre journalistisch im Bereich Wissenschaft und Technologie gearbeitet, später dann mit meiner kleinen Beratungsfirma als Medienexpertin. 2010 erfüllte ich mir meinen großen Traum und gründete den Spartensender HYPERRAUM.TV, für den ich eine medienrechtliche Rundfunklizenz erteilt bekam. Seither mache ich als One-Woman-Show mit meinem „alternativen TV-Sender“ gewollt nicht massentaugliches Fernseh-Programm. Als gelernte Wissenschaftshistorikern habe ich mich gänzlich der Zukunft verschrieben: Denn die Vergangenheit können wir nur erkennen, die Zukunft aber ist für uns gestaltbar. Wir sollten versuchen, nicht blind in sie hinein zu stolpern!

Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die Atomic-Boys (und Girls) wollen sich im Periodensystem zu den Inseln der Stabilität vorkämpfen, die es vielleicht selbst bei grossen, künstlich hergestellten Atomen gibt. Dann nämlich gibt, wenndas Verhältnis Neutronen/Protonen im neu erzeugten Kern “magisch” oder vielleicht besser noch “doppelt magisch” ist.

    Diese Beschreibung zeigt schon, dass wir es hier mit einer modernen Version der Alchemie zu tun haben. Anstatt aus Stein Gold zu erzeugen wollen diese modernen Alchemiker aus Stein (vielleicht Eisenatomkernen?) superschwere Atome schaffen. Und anders als die mittelalterlichen Alchemisten träumen sie nicht nur davon – nein sie tun es. Und wirklich magisch würde es, wenn es solche künstlich hergestellten superschweren Atomkerne nicht nur für Nanosekundenbruchteile gäbe sondern wenn sie sehr lange überleben würden. Im Idealfall so lange wie Titan, Eisen oder Stein.

    Wie nun ist dieses Fachgebiet einzuschätzen, was ist vom Erzeugen von superschweren, künstlichen Atomkernen zu halten? Schwierig zu sagen. Jedenfalls würde ich es nicht wagen es auf die gleiche Stufe zu stellen wie etwa das Erzeugen von möglichst grossen Primzahlen. Zwar darf ein Atomkern-Alchemiker keine neue Physik erwarten. Aber doch sehr viel interessante alte Physik wird da auf ihn warten.

  2. Wenn jedoch – heute nur postuliert, weil experimentell eben nicht nachweisbar – die Anziehungskraft eines Atomkerns auf die umlaufenden Elektronen so groß wird, dass sich – der berühmten Formel Einsteins entsprechend – aus dieser Bindungsenergie spontan Materie bilden kann, dann gibt es ein Problem – auch für die Stabilität eines atomaren Systems.

    Genaugenommen ist es eine Erzeugung von Elektron-Positron Paaren durch das elektrische Feld von diesen Atomkernen. Dieses wurde von Professor Walter Greiner vermutet, aber bis jetzt noch nicht experimentell bei der GSI sicher nachgewiesen. Denn es werden dabei schwere Ionen auf Atomkerne geschossen, die aber keinen neuen Atomkern bilden. Daher gibt es andere Effekte der QED, die dieses überlagern.

  3. MH
    bleiben wir optimistisch. Uran hat allein 25 Isotope und 3 Kernisomere. Deren Halbwertzeiten sind sehr unterschiedlich. Wenn wir also von einem fiktiven Element 119 ausgehen, ab 118 erwartet man eine “Insel der Stabilität”, dann könnte es doch sein, dass unter deren geschätzten Isotopen eines dabei ist, dass längerlebig ist.
    Bei den bisherigen Versuchen, weiß man ja nicht, welches Isotop man gerade erzeugt hat.
    Und wenn die Erzeugung dieses längerlebigen Isotopes von der Wahrscheinlichkeit her selten ist, dann wird es eben schwierig. Aber auschließen würde ich diese Möglichkeit nicht.

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