FAIR

Bei GSI entsteht das neue Beschleunigerzentrum FAIR. Erfahren Sie mehr.

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Erzeugung neuer Elemente – die Idee

Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Um ein neues Element zu erzeugen, verwenden Wissenschaftler zwei Elemente, die auf der Erde natürlicherweise vorkommen. Sie verschmelzen die beiden Atomkerne zu einem neuen, viel größeren und schwereren Atomkern. Das neue Element ergibt sich aus der Summe der beiden Ausgangselemente. Das Element 110 (Darmstadtium) wurde zum Beispiel durch die Verschmelzung von Nickel (Element 28) und Blei (Element 82) erzeugt (28+82=110).

Die Erzeugung

GSI-Wissenschaftler beschleunigen elektrisch geladene Atome, sogenannte Ionen, eines Ausgangselements mit einem 120 Meter langen Beschleuniger auf hohe Geschwindigkeiten. Diese schießen sie mit etwa 30.000 Kilometer pro Sekunde auf das andere Ausgangselement. Durch die hohe Geschwindigkeit wird die enorme Abstoßung der beiden Atomkerne überwunden und sie können zu einem neuen Element verschmelzen.

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Ein Nickel- und ein Blei-Kern verschmelzen zu einem Darmstadtium-Kern. Dabei wird ein Neutron frei.
Bild: GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Filter/Separation

Nach der Erzeugung müssen die Wissenschaftler beweisen, dass sie tatsächlich ein neues Element hergestellt haben. Zunächst fliegt das neue Element mit vielen anderen Reaktionsprodukten aus der Reaktionszone heraus. Mit verschiedenen Methoden können die Wissenschaftler das neue Element herausfiltern (separieren). Erst danach können sie es nachweisen.

Der Nachweis

Um zu beweisen, dass sie tatsächlich ein neues Element hergestellt haben, nutzen Wissenschaftler die Tatsache aus, dass das neue Element nicht stabil ist. Es zerfällt nach Bruchteilen von Sekunden in ein anderes, leichteres Element. Dabei sendet es ein Alpha-Teilchen aus. Dieser Vorgang kann sich einige Male wiederholen. Es entsteht eine sogenannte Zerfallskette. Die Wissenschaftler messen die Alpha-Teilchen der Zerfallskette und können dadurch das neue Element eindeutig nachweisen.

Experimentaufbauten bei GSI

Bei GSI nutzen Wissenschaftler zwei Experimentaufbauten zur Erforschung neuer Elemente, die sich gegenseitig ergänzen.

SHIP (Separator for Heavy Ion reaction Products)

Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Entdeckung der Elemente 107–112 / Erzeugung von Element 116

in Betrieb seit 1976

 

SHIP ist ein sogenanntes Geschwindigkeitsfilter. Mit einer Kombination von sehr starken elektrischen und magnetischen Feldern trennt es die durchs Vakuum fliegenden, elektrisch geladenen Reaktionsprodukte aufgrund ihrer unterschiedlichen Geschwindigkeit. Nach der Trennung wird das neue Element in einem Halbleiter-Detektor aus Silizium gestoppt und durch die Messung seiner Alpha-Strahlung identifiziert.

Fachinformationen zu SHIP

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Das gut zehn Meter lange Geschwindigkeitsfilter SHIP von oben.
Foto: A. Zschau, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

TASCA (TransActinide Separator and Chemistry Apparatus)

Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH

Erzeugung der Elemente 113–115, 117

in Betrieb seit 2006

 

TASCA ist ein sogenannter gasgefüllter Separator. Die Reaktionsprodukte fliegen durch ein stark verdünntes Gas. Das Gas bewirkt unter anderem, dass die unterschiedlichen Reaktionsprodukte jedes für sich in einen einheitlichen Ladungszustand gebracht werden. Das führt dazu, dass so viele Atome des Elements wie möglich auf einer einheitlichen Flugbahn durch ein Magnetfeld fliegen. Die Flugbahnen anderer Reaktionsprodukte verlaufen anders, sodass sie räumlich abgetrennt werden. Das Element wird am Ende des Separators in einem Halbleiter-Detektor aus Silizium gestoppt und durch die Messung seiner Alpha-Strahlung identifiziert. Mit weiteren Detektoren können an TASCA auch chemische Eigenschaften neuer Elemente untersucht werden.

Fachinformationen zu TASCA

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Der TASCA-Detektoraufbau.
Foto: G. Otto, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH