Zwei superschwere Elemente entdeckt

Eine internationale Forschungsgruppe hat mit Schweizer Kompetenz zwei neue chemische Elemente entdeckt. Die beiden Schwerelemente tragen die Ordnungszahlen 115 und 113, wie Untersuchungen anhand von Zerfallsketten im russischen Kernforschungszentrums Dubna belegten. Mit einem eleganten radiochemischen Nachweis steuerte das Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) wesentlich zum Erfolg bei.

Die Chemie dringt weiter in wissenschaftlich unbekannte Gebiete vor. Bis 1940 galt Uran als das schwerste chemische Element. Das in der Natur vorkommende Metall trägt die Ordnungszahl 92, sind doch in seinem Atomkern 92 positiv geladene Protonen vorhanden. Seither sind über 20 nur künstlich herstellbare Elemente mit höheren Ordnungszahlen entdeckt worden.

Geburtsstunde von Element 115

Schwere Elemente zerfallen über Kaskaden von elektrisch geladenen Helium-Atomen, so genannten Alphateilchen. Solche Zerfallsketten nutzten amerikanische, russische und Schweizer Wissenschaftler, um die bisher nur theoretisch angenommenen und noch namenlosen Elemente 115 und 113 experimentell nachzuweisen. Zur Synthese von Atomen des Elements 115 bombardierten die Forscher eine rotierende Scheibe aus Americium, einem Transuran der Ordnungszahl 95, mit einem Calcium-Strahl. Dabei traten in seltenen Fällen Kernverschmelzungen auf: die Geburtsstunde des neuen Elements 115. Damit war dessen Existenz aber noch nicht bewiesen. Seine Atome leben nur kurze Zeit, etwa eine Zehntelssekunde, und sind daher schwierig aufzuspüren. Während vorgängig der physikalische Nachweis von Element-115-Atomen durch spezielle Detektoren bloss drei Treffer ergab, verlief der radiochemische Pfad fünfmal erfolgreicher.

Radiochemischer Nachweis mit 15 Zerfallsatomen

Wie erwähnt zerfällt Element 115 unter Aussendung eines Alphateilchens zuerst zu Element 113 und dann über weitere Emissionen von Alphateilchen (Helium-Kerne) zu Dubnium mit der Ordnungszahl 105. Hier setzte der elegante experimentelle Beweis des PSI-Teams an: Es installierte hinter der rotierenden Americium-Scheibe eine Kupferplatte, welche die herausgeschleuderten Element-115-Atome auffing. Wenn darauf sich nach einer gewissen Zeit Dubnium-Atome (mit einer Halbwertszeit von 32 Stunden) nachweisen lassen, wäre die Verifikation vollbracht. Tatsächlich konnten die Forscher insgesamt 15 Dubnium-Atome identifizieren und damit erfolgreich beweisen, dass die angenommene Zerfallskette auch wirklich existiert. Der physikalische Nachweis liess sich so radiochemisch untermauern.

„Die Schweizer Wissenschaft konnte eine Premiere feiern – wenn auch im Ausland“, bilanziert Heinz Gäggeler, Forschungsbereichsleiter am PSI und Chemieprofessor an der Universität Bern, der die Schweizer Gruppe leitete. Beim Wettlauf um die ständige Erweiterung des Periodensystems ist erstmals auch die Schweiz vorne dabei. Die Versuche erforderten dazu jedoch den Schwerionenbeschleuniger mit der weltweit höchsten Intensität an Calcium-Strahlen. Diese Anlage steht im Kernforschungszentrum Dubna, 120 Kilometer nördlich von Moskau. Über 6000 Personen arbeiten in dieser riesigen Forschungsstätte an den Ufern der Wolga.

Für weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Heinz Gäggeler, Stv. Direktor PSI, Leiter des PSI-Forschungsbereichs Teilchen und Materie (TEM), Telefon +41 (0)56 310 24 04 oder (0)31 631 42 64; heinz.gaeggeler@psi.ch