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Flerovium und die Insel der Stabilität

P_E_T_E_R

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Physical Review Letters - Spectroscopy along Flerovium Decay Chains: Discovery of 280Ds and an Excited State in 282Cn

Analog zum Schalenmodell der atomaren Elektronenhülle versucht das Schalenmodell der Kernphysik die Kernstruktur aus Protonen und Neutronen nach den Regeln der Quantenmechanik zu erklären. Dabei spielen Kerne mit einer Magischen Zahl von Protonen und Neutronen (2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126) eine prominente Rolle. Doppelt magische mit magischen Protonen- und Neutronenzahlen wie Helium-4, Sauerstoff-16, Calcium-40, und Blei-208 sind besonders stabil.

Das schwerste natürlich vorkommende Element ist Uran mit 92 Protonen. Elemente mit einer höheren Protonen- oder Ordnungszahl werden künstlich hergestellt und sind zunehmend instabil und radioaktiv: Transurane und ab Ordnungszahl 104 die Transactinoide:

104 Rf (Rutherfordium)

105 Db (Dubnium)

106 Sg (Seaborgium)

107 Bh (Bohrium)

108 Hs (Hassium)

109 Mt (Meitnerium)

110 Ds (Darmstadtium)

111 Rg (Roentgenium)

112 Cn (Copernicium)

113 Nh (Nihonium)

114 Fl (Flerovium)

115 Mc (Moscovium)

116 Lv (Livermorium)

117 Ts (Tennessine)

118 Og (Oganesson)

Ein besonderes Interesse der Kernphysiker richtete sich dabei auf Flerovium mit der Ordnungszahl 114, da man dort aufgrund theoretischer Überlegungen eine Insel der Stabilität vermutete:

island of stability.jpg

Nuklidkarte in dreidimensionaler Darstellung mit erwarteter „Insel der Stabilität“ bei 114 Protonen
Credit: Wikipedia

Diese Suche nach der "Insel der Stabilität" - quasi dem heiligen Gral der Kernphysik - gestaltete sich jedoch erheblich schwieriger, als man sich das vorgestellt hatte:

Flerovium, with the expected magic 114 protons, was first synthesized in 1998 at the Joint Institute for Nuclear Research in Dubna, Russia, by a group of physicists led by Yuri Oganessian. A single atom of element 114 was detected, with a lifetime of 30.4 seconds, and its decay products had half-lives measurable in minutes. Because the produced nuclei underwent alpha decay rather than fission, and the half-lives were several orders of magnitude longer than those previously predicted or observed for superheavy elements, this event was seen as a "textbook example" of a decay chain characteristic of the island of stability, providing strong evidence for the existence of the island of stability in this region.

Tatsächlich zeigen die bisher entdeckten Isotope des Elements Flerovium, das 114 Protonen enthält, auffällig lange Halbwertszeiten (mehrere Sekunden). Das doppelt magische Isotop Fl-298 mit 184 Neutronen, für das eine besonders lange Halbwertszeit zu erwarten ist, konnte noch nicht beobachtet werden. Eine ganze Insel der Stabilität mit diesem doppelt magischen Nuklid als Zentrum wird vermutet. Dabei ist der Begriff Stabilität nur relativ zu den umgebenden Nukliden zu verstehen; absolut stabile Nuklide ohne jeden spontanen Zerfall, also mit der Halbwertszeit unendlich, sind jenseits von Blei kaum zu erwarten. Ähnliche „Inseln“ werden auch in der Nähe der magischen Ordnungszahlen 120 und 126 erwartet.
 

hhh

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Es wird halt immer schwieriger geeignete Kollisionspartner zu finden um so schwere Elemente überhaupt herzustellen. Da der radioaktive Zerfall ein statistischer Prozess ist, braucht man natürlich auch viele Atome um die Halbwertszeit sinnvoll abzuschätzen. Ein spannendes Thema, leider schon seit vielen Jahren ohne neues Element.
 

Optikus

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Wer denkt da nicht an Hans Dominik "Atomgewicht 500" ... - Wie Harald schrieb tut sich da ja relativ wenig verglichen mit anderen Gebieten, aber interessant ist es trotzdem das zu verfolgen.

CS
Jörg
 

P_E_T_E_R

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Nicht ganz so extrem wie 114 Fl (Flerovium), aber schwierig genug, wie wär's mit der Erforschung von 99 Es (Einsteinium)?

Erstmals 1952 im radioaktiven Fallout der ersten Wasserstoffbombe nachgewiesen, wurde dieses noch unbenannte neue Element zunächst geheim gehalten, dann aber durch Beschuss von Uran mit Stickstoff- und Sauerstoff-Ionen auch im Labor erzeugt und 1955 schließlich veröffentlicht. Ob sich Einstein über die Benennung gefreut hätte, ist ungewiss, da er das nicht mehr erlebt hat.

Größere Mengen von dem Zeugs erbrütet man durch Neutronenbeschuss von 96 Cm (Curium) oder 98 Cf (Californium), was aber auch nur ein Gemisch von verschiedenen Elementen und Isotopen erzeugt.

Im High Flux Isotope Reactor am Oak Ridge Labor hat man unlängst ein Sample mit weniger als 200 Nanogramm Einsteinium-254 erzeugt, das nun untersucht wurde. Die geringe Menge ist dabei nicht das einzige Problem. Das Isotop hat nur eine Halbwertszeit von 276 Tagen. Man muss sich also mit den Untersuchungen beeilen. Tja, und dann kommt noch die Pandemie in die Quere:

Discoveries at the edge of the periodic table: First ever measurements of einsteinium

Short-lived and hard to make: The material was made at Oak Ridge National Laboratory's High Flux Isotope Reactor, one of only a few places in the world that is capable of making einsteinium, which involves bombarding curium targets with neutrons to trigger a long chain of nuclear reactions.

Then, contending with radioactive decay was another challenge. The Berkeley Lab team conducted their experiments with einsteinium-254, one of the more stable isotopes of the element. It has a half-life of 276 days, which is the time for half of the material to decay.

Although the team was able to conduct many of the experiments before the coronavirus pandemic, they had plans for follow-up experiments that got interrupted thanks to pandemic-related shutdowns. By the time they were able to get back into their lab last summer, most of the sample was gone.


Structural and spectroscopic characterization of an einsteinium complex
 

Adhara

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Das größte Problem bei der Erzeugung des Isotops 298 des Elements Flerovium ist, dass man es keine zwei stabilen oder langlebigen Atomkerne gibt, deren Summe 298 Nukleonen und 114 Protonen ergibt. Erschwerend kommt noch hinzu, dass bei Schwerionenreaktionen oftmals noch Neutronen abgesprengt werden.

Im Übrigen: hat man schon einmal einen Zeitrafferfilm gedreht, der zeigt, wie ein radioaktiver Stoff zerfällt? Mit Polonium-210 (Halbwertszeit: 138 Tage) könnte es klappen.
 
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