Livermorium: Titanstrahl ebnet Weg zu Element 120

In einer Art moderner Alchemie haben Forschende mit einem Strahl aus verdampftem Titan eines der schwersten Elemente der Erde erzeugt. Sie sind überzeugt, dass diese neue Methode den Weg zu noch schwereren Zielen ebnen könnte.

Erstmals ist es mit dem neuen Verfahren gelungen, ein superschweres Element herzustellen: Livermorium. Dabei wird ein Stück des seltenen Isotops Titan-50 auf nahezu 1.650 °C erhitzt, wodurch Ionen freigesetzt werden, die als Strahl auf ein anderes Element treffen.

Livermorium wurde bereits im Jahr 2000 erstmals synthetisiert. Es ist allerdings nicht das schwerste Element, das Menschen bislang geschaffen haben – diesen Titel trägt Oganesson mit der Ordnungszahl 118.

Warum also die Aufregung darüber, dass am Lawrence Berkeley National Laboratory kürzlich einige Atome Livermorium entstanden sind, mögen Beobachterinnen und Beobachter des Periodensystems fragen. Livermorium ist gewissermaßen „so Y2K“ und besitzt lediglich 116 Protonen.

Titanstrahl als Schritt zu Element 120

Die Verschmelzung eines Titanstrahls mit Plutonium zu Livermorium dient jedoch nur als Probelauf für deutlich größere – genauer gesagt schwerere – Vorhaben. Das Team will ein Element erzeugen, das schwerer ist als jedes bisher hergestellte: Unbinilium mit 120 Protonen.

„Diese Reaktion war zuvor nie demonstriert worden, und es war entscheidend zu beweisen, dass sie möglich ist, bevor wir unseren Versuch zur Herstellung von 120 beginnen“, sagt die Kernchemikerin Jacklyn Gates vom Berkeley Lab, die die Forschung leitete.

Calcium-48 mit seinen 20 Protonen war bisher der bevorzugte Strahl. Seine „magische Zahl“ an Protonen und Neutronen macht es stabiler und erleichtert dadurch die Fusion mit dem Zielmaterial.

Titan-50 gilt zwar nicht als „magisch“, besitzt aber die 22 Protonen, die nötig sind, um diese höheren Atomgewichte zu erreichen. Gleichzeitig ist es nicht so schwer, dass es einfach zerfällt.

„Es war ein wichtiger erster Schritt, zunächst etwas herzustellen, das etwas einfacher ist als ein neues Element, um zu sehen, wie der Wechsel von einem Calciumstrahl zu einem Titanstrahl die Rate verändert, mit der wir diese Elemente produzieren“, erklärt die Physikerin Jennifer Pore vom Berkeley Lab.

„Die Herstellung von Element 116 mit Titan bestätigt, dass diese Produktionsmethode funktioniert, und wir können nun unsere Suche nach Element 120 planen.“

Zwei Livermorium-Atome nach 22 Tagen

Das Team benötigte 22 Betriebstage am 88-Zoll-Zyklotron des Berkeley Lab. Dieses beschleunigt die schweren Titanionen zu einem Strahl, der stark genug ist, um mit seinem Ziel zu verschmelzen. Nach dem gesamten Aufwand entstanden lediglich zwei winzige Atome Livermorium.

Die Herstellung von Unbinilium durch das Ausrichten des Strahls auf Californium-249 dürfte wesentlich schneller sein als mit früheren Verfahren. Dennoch bleibt es ein mühsames Unterfangen.

„Wir glauben, dass die Herstellung von 120 etwa zehnmal länger dauern wird als die von 116“, sagt der Kernphysiker Reiner Kruecken vom Berkeley Lab.

Rückkehr in den Wettlauf um superschwere Elemente

Damit kehrt das Berkeley Lab des US-Energieministeriums in den Wettlauf um superschwere Elemente zurück. Im 20. Jahrhundert zählte das Institut zu den führenden Einrichtungen bei der Entdeckung von Elementen.

Forschende weltweit versuchen mindestens seit 2006, Unbinilium zu erzeugen. Damals unternahm ein russisches Team am Vereinigten Institut für Kernforschung einen ersten Versuch. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Deutschland starteten zwischen 2007 und 2012 mehrere Anläufe – jedoch ohne Erfolg.

Da sich nun Forschende aus den USA, China und Russland dem Wettbewerb anschließen, stellt sich die Frage nach möglichen künftigen Anwendungen.

„Es ist wirklich wichtig, dass die USA wieder in diesem Wettlauf dabei sind, denn superschwere Elemente sind wissenschaftlich sehr bedeutsam“, sagte der nicht an der Forschung beteiligte Kernphysiker Witold Nazarewicz zu Robert Service von Science.

Element 120 liegt nahe der theoretischen „Insel der Stabilität“ – einem Paradies für superschwere Elemente, in dem die Halbwertszeiten dank ihrer „magischen Zahlen“ von Protonen und Neutronen außergewöhnlich lang sind.

Von diesen langlebigen, stabilen superschweren Elementen erwarten Forschende die Möglichkeit, Extreme des Atomverhaltens zu untersuchen, Modelle der Kernphysik zu prüfen und die Grenzen von Atomkernen zu kartieren.

Die Arbeit wurde bei Physical Review Letters eingereicht und ist als Preprint auf arXiv verfügbar.