Titan-50-Strahl erzeugt Livermorium und ebnet Weg zu Unbinilium

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

Titan-50-Strahl erzeugt Livermorium

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

Livermorium wurde bereits im Jahr 2000 erstmals synthetisiert. Es ist zudem nicht das schwerste Element, das Menschen bislang hergestellt haben: Diesen Rekord hält Oganesson mit der Ordnungszahl 118.

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

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

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

Von Calcium-48 zu Titan-50

Calcium-48 mit seinen 20 Protonen galt bislang als bevorzugter Strahl. Seine „magische Zahl“ aus Protonen und Neutronen macht das Isotop stabiler und erleichtert dadurch die Verschmelzung mit dem Zielmaterial.

Titan-50 ist nicht „magisch“, verfügt aber über 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 ein wenig einfacher als ein neues Element ist, um zu sehen, wie sich der Wechsel von einem Calciumstrahl zu einem Titanstrahl auf die Rate auswirkt, mit der wir diese Elemente produzieren“, erläutert die Physikerin Jennifer Pore vom Berkeley Lab.

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

Für den Versuch arbeitete das Team 22 Tage lang mit dem 2,24-Meter-Zyklotron des Berkeley Lab. Dieses beschleunigt die schweren Titanionen zu einem Strahl, der stark genug ist, mit dem Zielmaterial zu verschmelzen. Nach dem gesamten Aufwand entstanden lediglich zwei winzige Atome Livermorium.

Unbinilium und das Rennen um superschwere Elemente

Die Herstellung von Unbinilium durch das Ausrichten des Strahls auf Californium-249 dürfte mit dieser Methode wesentlich schneller sein als über frühere Wege. Dennoch wird sie mühsam bleiben.

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

Damit kehrt das Berkeley Lab des US-Energieministeriums in den Wettlauf um superschwere Elemente zurück. Im 20. Jahrhundert zählte das Labor 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 nun Teams aus den USA, China und Russland mitmischen, stellt sich die Frage nach möglichen künftigen Anwendungen.

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

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

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

Die Studie wurde in Physical Review Letters veröffentlicht.

Eine frühere Fassung dieses Artikels erschien im August 2024.