Robert Klatt
Superschwere, exotischen Atomkerne wurden bisher künstlich in komplexen Kollisionsexperimenten erzeugt. Laut einer neuen Studie können sie aber auch auf natürlichen Wegen im Weltraum entstehen.
Ann Arbor (U.S.A.). Physiker haben mit komplexen Kollisionsexperimenten die schwersten bekannten Elemente Tenness und Oganesson künstlich erzeugt. Diese superschweren exotischen Atomkerne enthalten bis zu 294 Protonen und Neutronen und zerfallen praktisch sofort. In der Umwelt wurden diese Elemente bisher nicht entdeckt. Eine Studie der University of Michigan (UMich) zeigt nun, dass auch auf natürlichen Wegen superschwere, exotischen Atomkerne entstehen könnten.
Laut der Publikation im Fachmagazin Science haben die Physiker um Ian U. Roederer Hinweise darauf entdeckt, dass sehr alte Sterne einen hohen Anteil von Elementen enthalten, bei deren Zerfall sich superschwere Elemente bilden können. Sowohl in Supernovae als auch bei der Verschmelzung von Neutronensternen könnten demnach exotischen Atomkerne entstehen, die über 260 Protonen und Neutronen enthalten.
Superschwere, exotischen Elemente werden durch den sogenannten r-Prozess, der in der Physik auch als schneller Neutroneneinfang bezeichnet wird, gebildet. Zu den bekannten Elementen, bei denen der bei Entstehung der r-Prozess überwiegt, gehört laut einer Studie der Lund University unter anderem das Seltenerdmetall Ytterbium.
Beim r-prozess, der bei einer Kollision von Neutronensternen oder einer Supernova ausgelöst wird, absorbieren Elemente wie Eisen in einem sehr kurzen Zeitrahmen eine signifikante Anzahl von Neutronen. Ein Teil dieser Neutronen wird anschließend durch den Betazerfall zu Protonen, was dazu führt, dass die Atomkerne zusätzliche Neutronen aufnehmen. Unter diesen Extrembedingungen bilden sich Atomkerne mit hohen Atomnummern, darunter laut Forschern der Australian National University und des Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) auch das auf Erde entdeckte Plutonium.
Im Rahmen ihrer Studie haben die Forscher Sterne, in denen Elemente nachgewiesen wurden, die typischerweise im Rahmen des r-Prozesses entstehen, analysiert. Dabei entdeckten sie, dass zwei spezifische Gruppen von Elementen in höheren Konzentrationen vorliegen, als theoretisch zu erwarten wäre.
Dies betrifft einerseits Elemente wie Ruthenium, Rhodium, Silber und Palladium, die Massenzahlen bis zu 110 aufweisen, und andererseits Elemente von Gadolinium bis Platin mit Massenzahlen bis zu 195. Laut den Autoren stammen die hohen Anteile dieser Elemente wahrscheinlich aus Kernspaltungsprozessen.
Laut den Forscher gehen davon aus, dass die durch den p-prozess gebildeten superschweren, exotischen Elemente sich asymmetrisch spalten. Dabei zerfallen sie in einen größeren und einen kleineren Kern. Diese Spaltprodukte wandeln durch Betazerfallsprozesse Neutronen in Protonen um, um den Neutronenüberschuss abzubauen, ohne dabei an Masse zu verlieren.
Laut der Theorie stammen die Elemente rund um das Silber von den leichteren Spaltfragmenten ab, während die Elemente, die Gadolinium übertreffen, den schwereren Fragmenten entsprechen. Die Masse der ursprünglich im r-Prozess gebildeten schweren Kerne müsste daher der Gesamtmasse dieser Fragmente entsprechen.
Science, doi: 10.1126/science.adf1341
