In einem Experiment durchgeführt bei Berkeley National Laboratory (USA) stellten Wissenschaftler unter Beteiligung eines Teams des IPHC erstmals Livermorium-290 (Z=116), einen superschweren Atomkern, aus einem Strahl von Titan-50 (Z=22) her.
Wir wussten, dass dieser Weg sehr vielversprechend war, aber die Physiker investierten mehrere Jahre in die Entwicklung, um Strahlen zu erhalten, die für diesen Einsatz ausreichend intensiv waren. Mit diesem Erfolg entsteht ein neuer Weg zur Synthese superschwerer Kerne. Ein Weg, der es in Zukunft ermöglichen sollte, neue Kerne jenseits von Oganesson-294 (Z=118) zu produzieren, dem schwersten Kern, der jemals von Kernphysikern untersucht wurde. Im nächsten Schritt gelingt es, Element 120 zu synthetisieren. Obwohl Element 116 seit etwa zwanzig Jahren bekannt und synthetisiert war, tauchten die beiden Isotope von Livermorium kurzzeitig in der Nähe des Zyklotrons auf Berkeley National Laboratory Letzten 27. April und 16. Juni setzte die Gemeinschaft der Kernphysik in Aufregung. Dies liegt daran, dass die beiden Isotope dieses superschweren Elements, das in der Natur nicht vorkommt, aus einer beispiellosen Verbindung hervorgegangen sind: der von Plutonium-244 (Z=94) und Titan-50.
Der Einsatz von Titan-50 im Rahmen solcher Laborreaktionen, genannt Fusion-Evaporation, bereitet den Physikern tatsächlich schon seit vielen Jahren große Probleme. Aber das Spiel hat sich gelohnt: Unter den richtigen Bedingungen könnte die Verwendung dieses Isotops und des seines Nachbarn Chrom-54 (Z=24) die Suche nach immer protonenreicheren Kernen ermöglichen, indem die Technik der Fusionsverdampfung vorangetrieben wird in neue Sphären.
Dieses Verfahren, das in der Kernphysik zur Synthese superschwerer künstlicher Kerne eingesetzt wird, erscheint auf den ersten Blick ebenso einfach wie brutal: Man nehme einen schweren Kern (hier Plutonium-244) und bombardiere ihn mit leichteren Kernen (hier Titan-50). Hoffentlich überwinden einige dieser Projektile die Abstoßung zwischen den positiven Ladungen der beiden Kerne und verschmelzen mit den schweren Kernen des Ziels.
Die praktische Umsetzung der Fusions-Verdampfungsreaktion hat es Wissenschaftlern ermöglicht, im Labor zahlreiche künstliche Elemente über Uran hinaus herzustellen und so unser Verständnis der Kernmechanismen und unser Wissen über diese Quantenstrukturen zu vertiefen. Aber hier ist es: Die Strahlen von Calcium-48 (Z =20), auf denen dieses Verfahren bisher basiert, haben ihre Grenzen erreicht, indem sie die kalifornischen Ziele bombardiert haben, die schwersten, die man herstellen kann.
Tatsächlich ist es die Fusion von Kalifornien mit seinen 98 Protonen und Kalzium-48, die die Herstellung von Oganesson ermöglichte, dem schwersten Element, das jemals im Labor hergestellt wurde, mit 118 Protonen. Um diese Grenze zu überwinden, ist derzeit nur eine Lösung möglich: die Verwendung neuer Metallträger, die schwerer als Calcium-48 sind, wie etwa Titan-50 oder Chrom-54.
Allerdings ist die Verwendung schwererer Kerne eine Herausforderung. Je mehr die Anzahl der Protonen zunimmt, desto stärker wird die elektrostatische Barriere, die der Fusion entgegensteht, ganz zu schweigen davon, dass die kinetische Energie dieser Kerne höher ist und den synthetisierten Kern dadurch stärker erregt und damit instabiler macht. Die Überlebenschancen dieser Kerne sind daher sehr gering und es ist schwierig, sie gleichzeitig zu habenEnergie und Strahlintensität erforderlich. Darüber hinaus ist Titan einer der am schwierigsten kontinuierlich mit hoher Intensität zu erzeugenden Strahlen.
Um dieses Problem zu umgehen und das Ergebnis von 2024 zu erreichen, wurden zwei Methoden nacheinander aktualisiert und dann vom IPHC-Team unter der Leitung von Benoît Gall übernommen, was zu einem wahren Wissenschaftsepos werden sollte. Die Gruppe folgte zunächst dem sogenannten MIVOC-Trail (für Metallion aus flüchtigen organischen Verbindungen), bei dem Isotope von Metallionen isoliert und dann mit flüchtigen organischen Verbindungen zu einem stabilen Pulver kombiniert werden. Die bei der Sublimation dieses Pulvers entstehenden Dämpfe versorgen dann die Ionenquelle zur Erzeugung der Strahlen.
-Mit dieser Methode gelang es Zouhair Asfari, Chemiker am IPHC, im Jahr 2011 insbesondere die Erzeugung eines Titan-50-Strahls mit ausreichender Intensität, um mehr als 2000 Rutherfordium-256-Kerne (Z=104) zu erzeugen. Die gleiche Methode wurde mehrere Jahre lang angewendet später zu Chrom-54, um die Spaltung des Elements 120 in Dubna, Russland, zu untersuchen. „Unter diesen Versuchsbedingungenerklärt Benoît Gall, ihm wurden kaum Überlebenschancen eingeräumt. Es spaltete sich fast sofort, aber die Manipulation ermöglichte es uns, mehr über diesen Prozess zu erfahren„.
Bei höherer Intensität sättigen Dämpfe, die mit MIVOC-Verbindungen verbunden sind, die Quelle. Aus diesem Grund wandte sich das IPHC-Team anschließend einer alternativen Methode zu, nämlich der direkten Verdampfung von Metallen mithilfe von Induktionsmikroöfen. Diese Technik hat den Vorteil, reine Metalldämpfe zu erzeugen, wodurch die von den Quellen erzeugte Intensität und damit die Anzahl der Fusionsreaktionen am Ziel erhöht werden. Aber wenn 400 °C ausreichen, um Kalzium zu verdampfen, muss man bei dieser Methode auf 1660 °C ansteigen, um einen Titanstrahl zu erzeugen, was die Entwicklung geeigneter und leistungsstärkerer Öfen erfordert.
Straßburger Wissenschaftler haben daher in ein Induktions-Mikroofenprojekt zur Untersuchung superschwerer Kerne mit dem S-Spektrometer investiert3 bei GANIL sowie für ihr Programm zur Synthese superschwerer Elemente. Die Fähigkeit ihres Ofens zur Verdampfung von Chrom und Titan konnten sie 2019 in Dubna unter Beweis stellen, ein Projekt, das seitdem unter den Folgen gelitten hat Kontext international.
Im Jahr 2020 schloss sich die Gruppe mit Kollegen aus Berkeley zusammen, die ebenfalls einen Induktionsofen entwickeln, und stellte ihnen ihr Fachwissen zur Verfügung. Im Rahmen dieser fruchtbaren Zusammenarbeit belohnt die Synthese von Livermorium am Berkeley-Zyklotron die langjährigen Bemühungen des Teams.
„Dieses Experiment stellt einen wichtigen Schritt zur Synthese neuer Elemente dar, denn es liefert nicht nur den Beweis für die Machbarkeit der Synthese des Elements 120 mit einem Strahl aus Titan-50, sondern auch eine Schätzung der Zeit, die wir für die Herstellung benötigen werden!“, freut sich Benoît Gall. Das Experiment kann bereits nach der Installation gestartet werden Experimental- in Berkeley wird für die Aufnahme des California-Targets vorbereitet sein, das viel radioaktiver ist als Plutonium-244.
Dank Schwermetallstrahlen wäre dann bis 2026 die Entdeckung des nächsten superschweren Elements möglich. Eine erfreuliche Aussicht für Experimentatoren und Theoretiker gleichermaßen: Die Synthese und anschließende Untersuchung neuer Elemente über die aktuellen Grenzen hinaus bringt Physiker Aufschluss über die Struktur des Kerns – Element 120 könnte zum Beispiel eine hypothetische Stabilitätsinsel offenbaren, bei der die Lebensdauer der Kerne viel länger wäre als die der bisher hergestellten superschweren Kerne.
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