Neues Super-Schwer-Isotop zeigt komplexe Beziehung zwischen quantenmechanischen Effekten und Spaltung.

30. Juni 2025

von Tejasri Gururaj, Phys.org

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überarbeitet von Sadie Harley,

überprüft von Robert Egan

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In einer Studie, die in Physical Review Letters veröffentlicht wurde, haben Wissenschaftler am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung ein neues superheavy Isotop, 257Sg (Seaborgium) entdeckt, dessen Eigenschaften neue Einblicke in die nukleare Stabilität und Spaltung bei den schwersten Elementen bieten.

Superheavy-Elemente existieren in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen der anziehenden Kernkraft, die Protonen und Neutronen zusammenhält, und der abstoßenden elektromagnetischen Kraft, die positiv geladene Protonen auseinanderdrückt.

Ohne die quantenmechanischen Schalleffekte, die den Elektronenschalen in Atomen ähneln, würden diese massiven Kerne in weniger als einer Billionstel Sekunde auseinanderbrechen.

Phys.org sprach mit den Co-Autoren Dr. Pavol Mosat und Dr. J. Khuyagbaatar vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Deutschland, über ihre Arbeit.

Die Studie zeigt unsere unvollständige Kenntnis darüber, wie sich die extremsten atomaren Kerne verhalten, wobei die Ergebnisse nahelegen, dass die quantenmechanischen Effekte, die verhindern, dass superheavy Kerne sofort zerfallen, möglicherweise anders arbeiten als bisher angenommen.

Das internationale Forschungsteam verwendete GSI's gasgefüllten Rückstoßseparator TASCA, um 257Sg durch Fusionsreaktionen zwischen Chrom-52 und Blei-206-Kernen zu erzeugen.

Sie stellten fest, dass das neue Isotop 12,6 Millisekunden lebt, länger als sein gerades-nachgerades Nachbarn 258Sg, und zerfällt sowohl durch spontane Spaltung als auch durch Alpha-Teilchen-Emission.

Der Alpha-Zerfallsweg war besonders aufschlussreich. Wenn 257Sg ein Alpha-Teilchen emittiert, verwandelt es sich in 253Rf (Rutherfordium), das dann nach nur 11 Mikrosekunden zerfällt.

Diese Beobachtung unterstützt aktuelle Erkenntnisse, die die traditionelle Vorstellung davon, wie der Drehimpuls die Spaltung beeinflusst, infrage gestellt haben. Während erwartet wurde, dass höhere K-Quantenzahlen eine stärkere Spaltungshemmung bieten, deuten aufkommende Daten darauf hin, dass diese Beziehung komplexer sein könnte als bisher angenommen.

'Wir haben die Isotope 257Sg und 253Rf untersucht und festgestellt, dass die K-Quantenzahlen die Spaltung tatsächlich hemmen', sagte Mosat. 'Allerdings ist der absolute Wert der Hemmungen noch unbekannt.'

Vielleicht noch bedeutsamer war die Entdeckung des ersten K-isomeren Zustands in einem Seaborgium-Isotop. K-Isomere sind spezielle nukleare Konfigurationen mit hohem Drehimpuls, die der Spaltung viel effektiver widerstehen als gewöhnliche Kernzustände.

In 259Sg entdeckten die Forscher ein Konversionselektronensignal, das 40 Mikrosekunden nach der Kernbildung erschien, ein deutlicher Hinweis auf einen K-isomeren Zustand, der gegen die Spaltung hunderte Male länger als der Grundzustand stabil sein könnte.

'K-Isomere Zustände wurden bereits in superheavy Kernen wie 252–257Rf und 270Ds beobachtet', bemerkte Khuyagbaatar. 'Wir haben K-Isomer ausschließlich in Kernen mit 106 Protonen, d.h. in Sg-Isotopen zum ersten Mal beobachtet.'

Diese Entdeckung schließt eine wichtige Lücke im Verständnis der Wissenschaftler über superheavy Elemente und könnte weitreichende Auswirkungen auf zukünftige Bemühungen zur Entdeckung von Elementen haben.

Die Entdeckung erfolgt zu einem entscheidenden Zeitpunkt in der Erforschung superheavy Elemente.

Wissenschaftler haben lange nach der theoretischen 'Insel der Stabilität' gesucht, einer Region, in der bestimmte superheavy Kerne aufgrund günstiger Schalleffekte für längere Zeiträume existieren könnten. Die neuen Erkenntnisse legen jedoch nahe, dass diese Landschaft komplexer sein könnte als erwartet.

'Es kann passieren, dass der superheavy Kern, zum Beispiel ein Isotop eines noch nicht entdeckten Elements, weniger als 1 μs [Mikrosekunde] lebt', erklärte Khuyagbaatar.

'Wenn dies der Fall ist, dann wird die Entdeckung von Element 120 wahrscheinlich Herausforderungen bei der Separation und Detektion gegenüberstehen. Wenn jedoch ein K-isomerer Zustand in diesem Kern existiert, könnte er länger leben, wie wir kürzlich mit 252Rf gezeigt haben.'

Die Forscher schätzen, dass das noch unentdeckte 256Sg eine dramatisch kürzere Halbwertszeit haben könnte, als die theoretischen Vorhersagen vermuten lassen, und potenziell von den prognostizierten 6 Mikrosekunden auf nur eine Nanosekunde sinken könnte.

Eine derart signifikante Abweichung in der Stabilität stellt eine wichtige neue Erkenntnis in der Kernphysik dar.

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Die experimentelle Leistung erforderte das Überwinden erheblicher technischer Herausforderungen. Die Arbeit mit Kernen, die nur für Millisekunden existieren, erforderte außergewöhnlich schnelle Detektionssysteme und präzises Timing.

'Im Falle von kurzlebigen Kernen ist es sehr wichtig, einen relativ kurzen Separator zu haben und, noch wichtiger, schnelle digitale Elektronik zu haben, die radioaktive Zerfallsignale bis zu etwa 100 ns entwirren kann,' erklärte Khuyagbaatar.

Das Team entwickelte spezialisierte digitale Elektronik am GSI, die sich als entscheidend für mehrere Entdeckungen von superschweren Elementen erwiesen hat.

Das nächste Ziel des Teams ist es, 256Sg zu synthetisieren, um zu testen, ob der vorhergesagte dramatische Rückgang der Stabilität tatsächlich eintritt.

'In der Tat werden wir versuchen, weitere Fälle von langlebigen K-Isomerzuständen in superschweren Kernen zu erkunden,' sagte Mosat. 'In Bezug auf das aktuelle Thema wird unser nächster Plan sein, zu versuchen, das nächste unbekannte 256Sg zu synthetisieren.'

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Weitere Informationen: P. Mosat et al, Untersuchung der Schaleneffekte bei Spaltung: Der neue superschwere Kern 257Sg, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/s7hr-y7zq

Journal-Information: Physical Review Letters

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