Aktuelles

F.A.Z. v. 26.1.2000

Das seltenste natürliche Isotop

Existenz von Tantal-180 eher zufällig / Schneller Transport aus dem Innern der Sterne / Von Rainer Scharf

Nahezu die gesamte Materie, einschließlich der Atome unseres Körpers, ist im Innern der Sterne entstanden. Seit Milliarden von Jahren verschmelzen dort die Atomkerne der leichten chemischen Elemente Wasserstoff und Helium, die aus dem Urknall hervorgegangen sind, zu immer schwereren Kernen. Dies kann in zwei verschiedenen Prozessen geschehen. So kann ein Atomkern durch rasch wiederholten Einfang von Neutronen, die bei anderen Kernreaktionen entstanden sind, schnell an Masse gewinnen. Bei diesem Vorgang, wie er beispielsweise während einer Supernovaexplosion stattfindet, entstehen aus den anfangs vorhandenen chemischen Elementen instabile, neutronenreiche Isotope. Diese wandeln sich nach der Explosion durch eine Reihe von Beta-Zerfällen in stabile Atomkerne um. In Sternen läuft dagegen das Einfangen der Neutronen etwas gemächlicher ab. Nach jedem Einfang haben die Kerne genügend Zeit, sich durch Beta-Zerfall in gleich schwere Kerne anderer Elemente umzuwandeln. Auf diese Weise lässt sich die Entstehung aller in der Natur vorkommenden Isotope der chemischen Elemente einfach erklären - mit Ausnahme des Tautal-180. Der Herkunft dieses außergewöhnlichen Isotops sind Wissenschaftler aus Deutschland jetzt nachgegangen.

Das Element Tantal ist ein schweres, stahlgraues Metall, das außerordentlich beständig ist. Sein Name spielt auf die griechische Mythologie an: Ähnlich dem Tantalus, der im Wasser stehend dürsten muss, kann das Element auch in aggressiven Säuren die zur Salzbildung nötigen Bestandteile nicht an sich binden. Natürliches Tantal besteht fast ausschließlich aus dem Isotop mit der Massenzahl 181. Zusätzlich enthält es geringe Mengen von Tantal-180, dem seltensten Isotop in unserem Sonnensystem, vermutlich sogar im gesamten Universum. Dass dieses Isotop überhaupt in der Natur vorkommt, ist zunächst überraschend, da es unter normalen Verhältnissen bei keinem der nuklearen Prozesse entstehen kann. So führt der langsame Neutroneneinfang nur zum Tantal-181, der schnelle hingegen zum Hafnium-180.

Die Lösung dieses Rätsels beruht darauf, dass die Atomkerne unter extremen Bedingungen, wie sie im Innern der Sterne herrschen, andere Eigenschaften besitzen als sonst. So können in einem Stern Temperaturen von einigen hundert Millionen Grad auftreten, wenn sein Wasserstoffvorrat zur Neige geht und Heliumkerne miteinander verschmolzen werden. Unter diesen Verhältnissen zerfällt das auf der Erde stabile Hafnium-179 in Tautal-179, das sich anschließend durch Neutroneneinfang in Tantal-180 verwandelt.

Tantal-180 ist das einzige Isotop, dessen Atomkerne nur stabil sind, wenn sie sich in einem angeregten Zustand befinden. Während es im Grundzustand schon innerhalb weniger Tage restlos zerfallen ist, lebt es in einem angeregten Zustand mehr als eine Billiarde Jahre lang. Die Wissenschaftler aus Darmstadt, Karlsruhe, Müncben und Stuttgart haben nun untersucht, wie lange Tantal-180 tatsächlich unter den bei seiner Entstehung herrschenden hohen Temperaturen überdauert ("Physical Review Letters", Bd. 83, S. 5242). Dazu beschossen sie mit dem Dynamitron-Beschleuniger der Universität Stuttgart einige Milligramm dieses äußerst seltenen lsotops mit intensiver Gammastrahlung. Auf diese Weise wurde der Kern auf eine Temperatur von einigen hundert Millionen Grad erhitzt.

Durch das Abstrahlen mehrerer Gammaquanten kann der angeregte Kern in seinen Grundzustand gelangen. Dieser zerfällt umgehend in Hafnium, das eine charakteristische Röntgenstrahlung aussendet. Damit haben die Forscher die Zerfallszeit des Tantals ermittelt. Die Halbwertszeit variiert über 17 Größenordnungen zwischen einer Billiarde Jahren und etwa einem Tag, abhängig von der zur Anregung verwendeten Gammastrahlung. Die Forscher fanden heraus, dass das Tautal-180 an seinem eigentlichen Entstehungsort, im Inneren von Sternen, innerhalb eines Monats zerfällt.

Die Kerne können sich diesem Schicksal nur dadurch entziehen, dass sie möglichst schnell dem heißen Entstehungsort entkommen, wo sie während verhältnismäßig kurzer explosionsartiger Ereignisse, die immerhin doch einige Jahre dauern, erzeugt werden. Bei ihrer Flucht helfen ihnen Plasmaströmungen, die zusammen mit den Explosionen im Sterninnern auftreten. Das Plasma transportiert die extrem heißen Tantalkerne innerhalb eines Tages in kühlere äußere Bereiche. Dort beträgt ihre Zerfallszeit wieder Billiarden Jahre. Stößt der Stern schließlich seine Hülle ab, so wird neben vielen anderen Atomkernen auch eine Prise Tantal-180 ins Weltall entlassen. So gelangten schließlich geringe Mengen dieses angeregten Isotops auch auf die Erde. 
>>> Zur Startseite