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Wismut kann nur beinahe ewig existieren

Extrem langsamer radioaktiver Zerfall

Von Rainer Scharf
 
Beim radioaktiven Zerfall von Atomkernen scheint die Zeit keine große Rolle zu spielen. Während manche Kernarten schon nach weniger als einer Trilliardstel Sekunde zerfallen sind, benötigen andere dazu viele Milliarden Jahre. Die in der Natur vorkommenden Kerne des Elements Wismut zerfallen so langsam, daß man sie bisher für stabil gehalten hatte. Jetzt hat man erstmals ihre Halbwertszeit gemessen: Sie beträgt 19 Trillionen Jahre, was etwa eine Milliarde Mal soviel wie das Alter des Universums ist.

Alle Atomkerne bestehen aus elektrisch positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen, die von der Kernkraft auf engstem Raum zusammengehalten werden. Von den meisten chemischen Elementen gibt es mehrere Isotope, deren Atomkerne dieselbe Zahl von Protonen enthalten, sich jedoch in der Zahl ihrer Neutronen unterscheiden. Von dem Wismut, einem spröden, rosa schimmernden Metall, kommt in der Natur nur das Isotop Wismut-209 vor, das 83 Protonen und 126 Neutronen enthält. Weitere Wismut-Isotope hat man künstlich hergestellt. Sie sind aber vergleichsweise kurzlebig.

Bisher galt Wismut-209 als das schwerste stabile Isotop. Frühere Berichte über seinen radioaktiven Zerfall hatten sich als fehlerhaft erwiesen. Berechnungen zeigen indes, daß ein Wismutkern eigentlich genug Energie enthält, in einen Kern des Elements Thallium und ein Alphateilchen - einen Heliumkern aus je zwei Protonen und Neutronen - zu zerfallen. Die über kurze Entfernungen stark anziehend wirkende Kernkraft hält das Alphateilchen jedoch fest. Das Teilchen befindet sich gewissermaßen hinter einer hohen Barriere, die es nach den Gesetzen der klassischen Mechanik nicht überwinden kann. Die Quantenmechanik öffnet ihm jedoch ein winziges Schlupfloch. Das Alphateilchen kann durch die Barriere hindurchtunneln und den Kern mit einer bestimmten Geschwindigkeit verlassen.

Daß ein Wismutkern auf diese Weise zerfällt, ist recht unwahrscheinlich. Entsprechend groß sollte die Halbwertszeit von Wismut-209 sein: mehrere Trillionen Jahre, wie die Berechnungen ergaben. Dennoch konnten jetzt Pierre de Marcillac und seine Kollegen vom Institut d'Astrophysique Spatiale der Universität Paris das Wismut beim radioaktiven Zerfall ertappen ("Nature", Bd. 422, S. 876). Ursprünglich waren die Forscher auf der Suche nach sogenannten Wimps, hypothetischen Elementarteilchen, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten. Mit einem extrem empfindlichen Detektor, einem Bolometer, wollten sie die Wimps nachweisen.

Das Herzstück des Detektors ist ein Kristall aus Wismut-Germanium-Oxyd. Falls ein Wimp mit einem Kristallatom zusammenstieße, würden Licht und Wärme freigesetzt, die das Bolometer dann messen würde. Um die Empfindlichkeit des Detektors zu erhöhen, haben die Forscher ihn auf eine Temperatur von 20 Millikelvin abgekühlt. Das Experiment, das den Namen Rosebud trägt, hat man gut abgeschirmt in einem ehemaligen Eisenbahntunnel unter den spanischen Pyrenäen aufgebaut.

Wimps konnten die Forscher mit ihrem Detektor bisher noch nicht nachweisen. Sie fanden jedoch ein überraschend deutliches Signal, das von Alphateilchen stammte, die eine bestimmte Geschwindigkeit hatten. Da der Detektor gut gegen von außen kommende Alphastrahlung abgeschirmt war, konnten die registrierten Alphateilchen nur vom radioaktiven Zerfall des Wismuts im Detektor stammen. Zudem hatten sie genau die Geschwindigkeit, die die aus dem Kern kommenden Alphateilchen haben sollten. Während der fünf Tage dauernden Messungen zählten die Forscher insgesamt 128 Zerfälle. Daraus berechneten sie eine Halbwertszeit von 19 Trillionen Jahren.

Die gigantische Halbwertszeit des Wismuts könnte man dazu nutzen, einen subtilen Effekt beim radioaktiven Zerfall nachzuweisen. Normalerweise zerfallen radioaktive Atomkerne nach einem einfachen Gesetz: Die Zahl der noch nicht zerfallenen Kerne halbiert sich im Laufe einer Halbwertszeit. Dabei sollte es keinen Unterschied machen, wie alt die Kerne sind. Es gibt jedoch eine Ausnahme: Kerne, deren Alter wesentlich geringer ist als ihre Halbwertszeit, sollten langsamer zerfallen, als man es nach dem Zerfallsgesetz erwartet. Das Alter der in den Sternen entstandenen Wismutkerne beträgt etwa zehn Milliarden Jahre, was nur einem Milliardstel der Halbwertszeit entspricht. Der Zerfall dieser Kerne ließe sich mit jenem von "jungen" Wismutkernen vergleichen, die man durch Bestrahlung von Blei mit Neutronen herstellen kann. Vielleicht kommen dabei Abweichungen vom Zerfallsgesetz zum Vorschein. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 30.04.2003, Nr. 100 / Seite N2

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