Verbotene Metalle

Superschwere Kerne mit überzähligen Neutronen

Von Rainer Scharf

Atomkerne der chemischen Elemente Magnesium und Aluminium, die fast doppelt so schwer waren wie herkömmliche Kerne dieser beiden Metalle, sind an der Michigan State University entdeckt worden. Die superschweren radioaktiven Kerne enthielten neben elektrisch positiv geladenen Protonen noch eine ungewöhnlich große Zahl von ungeladenen Neutronen. Kernphysikalischen Berechnungen zufolge hätten einige der Aluminiumkerne eigentlich nicht existieren dürfen.
 

Ein Kern mit einer bestimmten, für ein chemisches Element charakteristischen Protonenzahl kann unterschiedlich viele Neutronen enthalten. Das Element weist dann verschiedene Isotope auf. Die Zahl der Neutronen kann jedoch nicht beliebig groß werden. Wenn auf einen Atomkern mit maximaler Neutronenzahl, der von der Kernkraft gerade noch zusammengehalten wird, ein zusätzliches Neutron prallt, findet es an ihm keinen Halt mehr. Bildlich gesprochen befindet sich solch ein Kern an der "Neutronenabbruchkante". Die Kerne nahe der Kante sind meist radioaktiv und wandeln sich in Sekundenbruchteilen in andere Kerne um. Jenseits der Abbruchkante existieren keine weiteren Kerne mehr.

Wo genau die Abbruchkante für die Elemente Magnesium und Aluminium liegt, ist trotz intensiver Untersuchungen umstritten. Berechnungen hatten ergeben, dass natürlich vorkommende Magnesium-24-Kerne, die 24 Kernbausteine (Protonen und Neutronen) enthalten, bis zu 16 zusätzliche Neutronen aufnehmen und zu Magnesium-40-Kernen werden könnten. Natürliches Aluminium-27 könnte so weit wachsen, dass aus ihm Aluminium-43 wird. Thomas Baumann und seine Kollegen vom National Superconducting Cyclotron Laboratory an der Michigan State University haben jetzt genauer erforscht, wie viele Neutronen sich in einen Magnesium- oder Aluminiumkern hineinstopfen lassen, bevor er seine Kapazitätsgrenze erreicht.

Mit einem Zyklotron beschleunigten die Forscher neutronenreiche Kalzium-48-Kerne nahezu auf Lichtgeschwindigkeit und ließen sie dann auf ein knapp millimeterdickes Wolframplättchen prasseln. Die dabei entstandenen Bruchstücke wurden mit elektrischen und magnetischen Feldern nach Masse und Ladung getrennt und mit Detektoren einzeln nachgewiesen, bevor sie radioaktiv zerfielen. Auf diese Weise hatten die Forscher zusammen mit Oleg Tarasov vom Flerov Laboratorium in Dubna Anfang des Jahres erstmals das Isotop Silizium-44 entdeckt, das 16 Neutronen mehr enthielt als natürlich vorkommendes Silizium-28.

Wie Baumann und seine Kollegen jetzt in der Zeitschrift "Nature" (Bd. 449, S. 1022) berichten, haben sie eine Woche lang ununterbrochen Kernbruchstücke erzeugt und nach neutronenreichen Magnesium- und Aluminiumkernen durchforstet. Dabei entdeckten sie zunächst drei Magnesium-40-Kerne, jedoch kein Magnesium-39. Das ist verständlich, denn Magnesium-40 enthält eine gerade Anzahl sowohl von Protonen als auch von Neutronen, die sich paaren und dadurch den Kern stabilisieren. Bei Magnesium-39 wäre eine stabilisierende Paarung der Neutronen nicht möglich, so dass dieses Isotop nicht entsteht.

Zu ihrer Überraschung fanden die Forscher zusätzlich einige Aluminium-42-Kerne, die eine ungerade Zahl von Protonen und Neutronen enthielten. Nach allen bisherigen Berechnungen sollte dieses Aluminiumisotop nicht vorkommen. Hier tritt offenbar ein Stabilisierungseffekt auf, den man noch nicht verstanden hat. Er könnte dazu führen, dass auch noch schwerere Aluminiumisotope existieren. Tatsächlich fanden die Forscher einen Aluminium-43-Kern. Die Existenz dieses Isotops muss aber noch bestätigt werden.

Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass die neutronenreichen radioaktiven Aluminiumisotope etwas "stabiler" sind als die entsprechenden Magnesiumisotope. Für das Aluminium liegt die Neutronenabbruchkante deshalb bei deutlich größeren Neutronenzahlen als für das Magnesium. Wo die Kante genau liegt, wird man vielleicht mit der nächsten Generation von Kernbeschleunigern herausfinden, die noch neutronenreichere Kerne erzeugen können.

Text: F.A.Z., 30.10.2007, Nr. 252 / Seite 39