Titanstrahl erzeugt Livermorium und ebnet Weg zu Unbinilium 120

In einer Leistung, die an moderne Alchemie erinnert, haben Forschende mithilfe eines Strahls 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.

Erstmals hat die neue Technik erfolgreich ein superschweres Element hervorgebracht: Livermorium. Dabei wird ein Stück des seltenen Isotops Titan-50 auf nahezu 1650 °C (3000 °F) erhitzt, sodass Ionen freigesetzt werden. Diese werden als Strahl auf ein anderes Element gerichtet.

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

Warum also die Aufregung darüber, dass am Lawrence Berkeley National Laboratory kürzlich einige Atome Livermorium entstanden sind, könnten jene fragen, die das Periodensystem verfolgen. Livermorium wirkt geradezu „Y2K“ und besitzt lediglich 116 Protonen.

Livermorium aus Titan als Vorbereitung auf Element 120

Die Verschmelzung eines Titanstrahls mit Plutonium zur Herstellung von Livermorium ist jedoch nur ein Probelauf für deutlich größere – genauer gesagt schwerere – Ziele. Das Team will ein Element erzeugen, das schwerer wäre als jedes bislang 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 Studie leitete.

Calcium-48 mit seinen 20 Protonen war bislang der bevorzugte Strahl. Seine „magische Zahl“ an Protonen und Neutronen verleiht ihm eine höhere Stabilität, wodurch es leichter mit seinem Ziel verschmilzt.

Titan-50 ist nicht „magisch“, besitzt aber die 22 Protonen, die für diese höheren Atomgewichte erforderlich sind. Gleichzeitig ist es nicht so schwer, dass es einfach auseinanderfällt.

„Es war ein wichtiger erster Schritt, etwas herzustellen, das ein wenig leichter ist als ein neues Element, um zu untersuchen, wie der Wechsel von einem Calciumstrahl zu einem Titanstrahl die Rate verändert, mit der wir diese Elemente erzeugen“, erläutert die Physikerin Jennifer Pore vom Berkeley Lab.

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

22 Tage für zwei Atome Livermorium

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

Die Herstellung von Unbinilium durch das Ausrichten des Strahls auf Californium-249 wäre wesentlich schneller als über frühere Wege. Dennoch dürfte das Vorhaben langwierig bleiben.

„Wir glauben, dass die Herstellung von 120 ungefähr 10-mal länger dauern wird als die von 116“, sagt der Kernphysiker Reiner Kruecken vom Berkeley Lab.

Der internationale Wettlauf um Unbinilium

Für das Berkeley Lab des US-Energieministeriums bedeutet dies die Rückkehr in den Wettlauf um superschwere Elemente. Im 20. Jahrhundert zählte das Labor zu den führenden Einrichtungen bei der Entdeckung chemischer Elemente.

Forschende weltweit bemühen sich mindestens seit 2006 um die Herstellung von Unbinilium. 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.

Nun beteiligen sich Forschende aus den USA, China und Russland, weshalb sich die Frage nach möglichen künftigen Anwendungen stellt.

„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 zu Robert Service von Science.

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

Von diesen langlebigen, stabilen superschweren Elementen erwarten Forschende die Möglichkeit, die 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.