Fermium im Laserlicht: Neue Erkenntnisse über superschwere Elemente

MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Erforschung der Eigenschaften von Elementen jenseits von Uran, wie Fermium, bietet faszinierende Einblicke in die Welt der superschweren Elemente. Diese Elemente, die nicht natürlich auf der Erde vorkommen, müssen künstlich erzeugt werden, um ihre einzigartigen physikalischen Eigenschaften zu untersuchen.

Die Untersuchung von Elementen jenseits von Uran, insbesondere Fermium, eröffnet neue Perspektiven auf die Stabilität und Struktur superschwerer Elemente. Diese Elemente, die in der Natur nicht vorkommen, müssen in Laboren künstlich erzeugt werden, um ihre Eigenschaften zu erforschen. Fermium, mit 100 Protonen, bildet eine Brücke zwischen den natürlich vorkommenden und den superschweren Elementen, die bei 104 Protonen beginnen.

Ein entscheidender Faktor für die Existenz dieser superschweren Elemente sind quantenmechanische Schaleneffekte. Obwohl diese Effekte nur einen kleinen Teil der Kernbindungsenergie ausmachen, tragen sie erheblich zur Stabilisierung des Atomkerns bei. Das Schalenmodell erklärt, wie gefüllte Kernschalen, ähnlich wie bei Elektronenschalen, zu erhöhter Stabilität führen können. Besonders bei sogenannten „magischen“ Protonen- oder Neutronenzahlen zeigen die Kerne eine erhöhte Stabilität und längere Lebensdauern.

Die Laserspektroskopie ermöglicht es, kleinste Änderungen in der Atomstruktur zu analysieren und daraus Rückschlüsse auf Kerneigenschaften wie den Ladungsradius zu ziehen. Untersuchungen an Fermium-Isotopen mit unterschiedlichen Neutronenzahlen zeigten, dass der Kernladungsradius mit zunehmender Neutronenzahl stetig ansteigt, es sei denn, eine magische Zahl wird überschritten. Dann wird ein Knick in der Steigung des radialen Anstiegs beobachtet.

Dr. Sebastian Raeder und sein Team bei GSI/FAIR haben Fermium-Atomkerne mit verschiedenen Neutronenzahlen untersucht, um den Einfluss quantenmechanischer Schaleneffekte auf die Größe der Atomkerne zu verstehen. Besonders interessant war die Neutronenzahl 152, bei der zuvor ein Neutronenschalenabschluss in der Bindungsenergie beobachtet wurde. Diese Kerne sind nicht kugelförmig, sondern eher wie ein Rugby-Ball geformt, was eine besondere Herausforderung und Chance für die Forschung darstellt.

Die Experimente wurden mit einer internationalen Kollaboration von 27 Partnerinstituten durchgeführt. Die kurzlebigen Fermium-Isotope wurden an der Beschleunigeranlage von GSI/FAIR hergestellt, während die langlebigen Isotope in den USA und Frankreich produziert wurden. Mithilfe der Laserspektroskopie konnten die Forscher die Anregungsenergie messen, um Informationen über die Größenänderungen der Atomkerne zu erhalten.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass die Kernladungsradien der Fermium-Isotope gleichmäßig ansteigen. Im Gegensatz zu den Bindungsenergien haben die Kernschaleneffekte keinen messbaren Einfluss auf die Kernladungsradien. Diese Erkenntnisse bestätigen theoretische Vorhersagen, dass mit steigender Kernmasse Effekte dominieren, die auf die Gesamtheit aller Neutronen und Protonen zurückzuführen sind.

Die experimentellen Fortschritte eröffnen neue Möglichkeiten für weitere laserspektroskopische Studien von schweren Elementen. Dies ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis der Stabilisationsprozesse in superschweren Elementen. Zukünftige Entwicklungen könnten es ermöglichen, selbst geringfügige Effekte der Schalenstruktur aufzuspüren, die für die Existenz der schwersten bekannten Elemente verantwortlich sind.