Superschwere Elemente (SHE)

(Mitarbeiter: Dr. A. Yakushev, A. Gorshkov, R. Graeger)

Forschungshintergrund

Mit der kürzlichen Entdeckung relativ langlebiger Isotope superschwerer Elemente in den Flerov Laboratorien für Kernreaktionen (FLNR) in Dubna (Russland) mit den Kernladungszahlen Z = 112, 114, 115, 116 und 118 ging ein langersehnter Traum vieler Kernphysiker und Schwerelementchemiker in Erfüllung. Diese monumentale Entdeckung - sofern sie nachgewiesen werden kann - bestätigt eindrucksvoll theoretische Berechnungen aus den 1960er Jahren, welche die Existenz einer so genannten "Insel der Stabilität" für superschwere Elemente (mit dem Zentrum bei Z= 114, 120, 126 und der Neutronenzahl N=184) vorhersagen. Dank der relativ hohen Halbwertszeiten der beobachteten Isotope (Sekunden bis Minuten) scheint die chemische Untersuchung der schwersten bekannten Elemente trotz geringer Produktionsrate (wenige Atome in monatelangen Versuchen) zugänglich. Da die in FLNR beobachteten Zerfallsketten keinen bekannten Nukliden zugeordnet werden können, ist die chemische Identifizierung der Elemente vorrangig. Hierbei spielt die Bestimmung der Protonenzahl im chemischen Sinne eine große Rolle. Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der GSI Darmstadt und der zugehörigen Gruppe für Kernchemie wurde die Entwicklung einer gasgefüllten Trennapparatur für schwere und superschwere Elemente eingeleitet. Das Trennsystem mit dem Namen TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus) wurde erfolgreich konstruiert und befindet sich nun in der Experimentierhalle X8 der GSI Darmstadt im Aufbau. Während der Entwicklung von TASCA wurde besonderer Wert auf vielfältige Einsatzmöglichkeiten gelegt. So ist auch eine Anwendung als Trennvorstufe in "herkömmlichen" chemischen Experimenten denkbar.

Makroskopische-mikroskopische Berechnungen sagen erhöhte Stabilitäten bei sowohl N =184 und Z =114 als auch nahe N =162 and Z =108 voraus. Dieser zweite Stabilitätsbereich wird von Lücken in Einpartikel-Spektren abgeleitet, die lediglich bei deformierten Kerngeometrien beobachtet werden. Durch die Verwendung eines vergrößerten Deformationsraumes und dynamischen Spaltbarrieren analysierten Patyk et al. Einpartikel-Spektren schwerer Elemente und sagten für ²⁷⁰Hs einen verhältnismäßig stark gebundenen, "doppelt-magischen" Kern voraus. Daneben wurden in diesem Bereich relativ lange SF(Spontanspaltung)- Halbwertszeiten vorhergesagt. Folglich wird für ²⁷⁰Hs und ²⁶⁸Hs und ²⁷²Hs überwiegend eine Emission von α-Strahlung erwartet. Um die Neutronenschale bei N=162 genau zu bestimmen müssen die Q_α-Energien dieser drei Nuklide gemessen werden. Element 108 (Hassium, Hs) wurde 1984 von Münzenberg et al. mit Hilfe der Kernreaktion ²⁰⁸Pb( ⁵⁸Fe, 1n) ²⁶⁵Hs im elektromagnetischen Trennsystem SHIP (GSI Darmstadt) entdeckt. Vier Zerfälle von ²⁶⁹Hs wurden innerhalb der Beobachtung des Zerfalls von ²⁷⁷112 detektiert. Vor kurzem wurden in Studien der chemischen Eigenschaften des Elements 108 mehrere Zerfälle des Isotops ²⁶⁹Hs (aus der Reaktion ²⁴⁸Cm( ²⁶Mg, 5n)) beobachtet. Ferner wurden zwei Zerfallsketten unter Vorbehalt dem neuen Nuklid ²⁷⁰Hs (aus der Reaktion ²⁴⁸Cm( ²⁶Mg, 4n)) zugeordnet.

Das Nuklid ²⁸³112 (SF, T_1/2≈ 5 m) wurde 1999 mit Hilfe der Kernreaktion ²³⁸U(⁴⁸Ca,3n) in VASSILISSA FLNR Dubna dargestellt. Neuere Experimente der GFRS-Gruppe in FLNR Dubna charakterisieren ²⁸³112 als einen α−Emitter mit einer Halbwertszeit von 4 s, während in einem Experiment in SHIP (GSI Darmstadt) von einem SF-Ereignis mit einer Lebenszeit von 7,55 s berichtet wird.

Erste Versuche zur chemischen Charakterisierung von E112 wurden 2000 und 2001 in FLNR durchgeführt. E112 wird der Gruppe 12 des Periodensystems zugeordnet, während dessen Eigenschaften laut Extrapolation aus dem PSE jenen des Quecksilbers Hg ähneln sollten. Theoretische Berechnungen der Elektronenorbitalenergien von E112 lassen auf edelgasähnliches Verhalten schliessen. Bekannterweise zeigen einzelne Hg-Atome bei Raumtemperatur starke Affinität gegenüber Goldoberflächen. Um folglich das Hg-änliche Verhalten von E112 zu überprüfen wurde eine Anordnung von 8 Paaren von Au-beschichteten Siliciumdetektoren verwendet. Zur Ermittlung der Ähnlichkeit zu Rn wurde die Anordnung durch eine Ionisationskammer ergänzt. Beide Vorrichtungen wurden wiederum in einen ³He-Neutronendetektor integriert. Während an den Siliciumdetektoren keinerlei SF-Ereignisse gemessen werden konnten, wurden 8 SF-Ereignisse in der Ionisationskammer detektiert.

Anschliessend wurden an der GSI zwei Experimente zur Analyse der E112-Chemie von der PSI Gruppe durchgeführt. Hierbei galt es die Abscheidungstemperatur des hergestellten E112 an Goldoberflächen im Vergleich zu Quecksilber und dem Edelgas Rn mit Hilfe von Cryo-Thermochromatographie zu bestimmen. Die Ergebnisse dieser Studie liessen allerdings keinerlei Rückschlüsse zu, da weder alpha-SF-Koinzidenzen noch etwaige Spaltungskoinzidenzen von E112 detektiert werden konnten.

Die Beobachtung lediglich einer Spontanspaltung, einer Zerfallsart vieler Actinid- und Transactinidkerne, ist - da uneindeutig - nicht zufriedenstellend. Der neuentwickelte TASCA-Trennapparat, gekoppelt mit einem chemischen Trenn- und Detektionssystem, stellt hierbei einen vielversprechenden Ansatz zur weiteren Aufklärung dar, da die Zerfälle der flüchtigen Elemente E112 und E114 in nahezu hintergrundfeier Umgebung detektiert werden können.

Aktuelle Experimente

Ein verbessertes System zur chemischen Separation und Detektion (Cryo On-line Multidetector for Physics and Chemistry of Transactinides: COMPACT) wurde entwickelt, verleichbar mit dem COLD Detektor, welcher in der ersten chemischen Unteruchung von Hs durch die PSI Gruppe verwendet wurde. Mit einer Gesamtbestrahlungsdauer von 600 Stunden wurde am UNILAC GSI Darmstadt die Reaktion ²⁶Mg + ²⁴⁸Cm bei fünf unterschiedlichen Bestrahlungsenergien entsprechend den Anregungsenergien des Verbundkerns von 35, 40, 44, 49 und 53 MeV untersucht. In den Experimenten wurden 26 Zerfallsketten registriert, welche dem Zerfall von Hs zuzuschreiben sind. Die Zerfallseigenschaften von fünf neuen Nukliden wurden erstmals beobachtet. Ein Ausschnitt aus der Nuklidkarte gibt die neuentdeckten Eigenschaften der Isotope ²⁶⁹Hs, ²⁷⁰Hs und ²⁷¹Hs sowie ihrer Zerfallsprodukte wieder:

Abb. 3: Neuentdeckte Zerfallseigenschaften

Aktuelle Onlineliteratur:

Physical Review Letters: http://link.aps.org/abstract/PRL/v97/e242501

TUM Mitteilungen: http://portal.mytum.de/pressestelle/tum_mit/2007nr1/69.pdf

Physical Review Focus:
http://focus.aps.org/story/v18/st19

Chemical & Engineering News:
http://pubs.acs.org/cen/news/85/i01/8501notw7.html

© RCM

Abb. 1: Ausschnitt aus der Nuklidkarte im Hinblick auf die "Insel der Stabilität.

Abb.2: Q(alpha)-Energien.