10:48 26 April 2019
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    Das Zyklotron DZ-280 im Institut für Kernforschung in Dubna bei Moskau

    Neue Elemente für Periodensystem: Russische Physiker wollen Naturgesetze brechen

    © Sputnik / Grigorij Syssojew
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    Tatjana Pitschugina
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    Das Zyklotron DZ-280, das als Fabrik für überschwere Elemente gilt, ist vor einigen Tagen am Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna bei Moskau offiziell gestartet worden.

    Die Wissenschaftler haben vor, die Elemente 119 und 120 in der Mendelejew-Tabelle (sprich: Periodentabelle)  zu synthetisieren und die chemischen Eigenschaften der zuvor entdeckten (letzten) Elemente der 7. Gruppe zu erforschen.

    Fabrik der neuen Chemie

    Der Teilchenbeschleuniger DZ-280 wurde am 25. März in Dubna im Beisein von Vertretern der 18 Teilnehmerstaaten des Instituts sowie des russischen Wissenschaftsministers, Michail Kotjukow, gestartet. Die Bezeichnung des Beschleunigers geht auf die ersten Buchstaben der Wörter „Dubna“ und „Zyklotron“ zurück. Die Anlage ist für die Entdeckung von absolut neuen chemischen Elementen bestimmt, die in der Natur nicht vorkommen.

    „Das ist ein neuer Beschleuniger, eine Fabrik von überschweren Elementen. Nach den Parametern und der Intensität ist er allen weltweit existierenden Geräten überlegen. Das eröffnet neue Möglichkeiten auch bei der Synthese neuer Elemente und der Analyse ihrer Eigenschaften“, sagte Sergej Dmitrijew, Direktor des Labors für Kernreaktionen des Instituts.

    In diesem Labor, das weltweit als führend bei der Synthese von neuen chemischen Elementen gilt, wurden alle überschweren Kerne entdeckt – ab dem 114. Element. Nach der Stadt der Physiker, Dubna, wurde das 105. Element benannt (Dubnium), nach dem Laborgründer Georgi Flerow das 114. Element (Flerowium). Das nächste Element heißt Moskowium; das 118. Element Oganesson wurde nach dem hervorragenden Wissenschaftler Juri Oganessjan benannt.

    Oganesson ist das schwerste der experimentell festgestellten chemischen Elemente, doch damit endet die Mendelejew-Tabelle nicht. Wissenschaftlern zufolge sollen noch zwei Elemente entdeckt werden. Dazu wurde eben der Beschleuniger gebaut, in dem mehr überschwere Elemente als in der Anlage der vorherigen Generation (U-400) entstehen werden. Dort bildet sich ein Atom des 118. Elementes ungefähr einmal pro Monat. Das ist zu wenig, um es zu erforschen. Mit dem Beschleuniger DZ-280 könnte man Hundert bekommen. Mit anderen Worten: Die Wissenschaftler gehen von einzelnen Exemplaren zur Fabrik-Produktion über.

    Als das Projekt konzipiert wurde, analysierten die Physiker sämtliche weltweite Erfahrungen auf diesem Gebiet, vor allem im Zusammenhang mit Linearbeschleunigern. Sie verstanden, dass man eine kleinere Anlage schneller und billiger herstellen kann. 2011 wurde mit der Arbeit begonnen. Das Projekt kostete 60 Mio. Dollar, was um eine Größenordnung weniger als westliche Anlagen ist.

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    Der Beschleuniger DZ-280 ist vollständig von Mitarbeitern des Labors für Kernreaktionen unter Leitung von Georgi Gulbekjan konzipiert worden. Viele Hauptelemente wurden von Teilnehmerstaaten des Instituts für Kernforschung hergestellt – Bulgarien, Ukraine, Slowakei, Tschechien, Polen, Rumänien.

    „Solche Komplexe werden mindestens für einen Zeitraum von 20 Jahren geschaffen. Das heißt, dass unsere jungen Kollegen zumindest für die nächsten 20 Jahre nicht nur ein konkretes Wissenschaftsprogramm, sondern auch eine experimentelle Basis haben“, so Dmitrijew.

    Welches Atom als erstes synthetisiert wird

    „Zunächst sollen die Teilchen ionisiert werden. Das ist die erste Etappe. Danach sollen sie aus der Ionenquelle über einen langen Kanal ins Zentrum des Beschleunigers und weiter bis zum Endradius gebracht werden – damit wird der Zyklus abgeschlossen. Dieser wichtige Test für die Richtigkeit der Gestaltung des Magnetfeldes fand am 26. Dezember statt. Der nächste Schritt – die Teilchen wurden vom Radius nach außen hin in den Kanal geleitet, der das Bündel zu den experimentellen Anlagen leitet“, sagte der stellvertretende Chef des Labors für Kernreaktionen, Andrej Popeko.

    Nach Angaben der Wissenschaftler ist die Anlage vollständig montiert – außer Detektoren – und einsatzbereit. Die Funktionskontrolle und komplette Überprüfung wird einige Monate in Anspruch nehmen.

    Die ersten Experimente mit dem Beschleuniger DZ-280 sind für das Jahresende geplant. Im Zyklotron werden mit Titan-Kernen Berkelium-Kerne beschossen. Beide Teilchen sind Ionen mit positiver Ladung – ihnen wurden vorläufig die Elektronen entnommen. Sie stoßen sich voneinander ab, und die Abstoßungskraft (Coulombwall) ist ziemlich groß.

    Zu ihrer Überwindung werden die Titan-Kerne mit starken Magnetfeldern bis zu einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt – jedoch nicht darüber hinaus, sonst wird die Energie der Teilchen die Zielscheiben einfach zerstören, und es kommt nicht zur Fusion.

    Beim Zusammenstoß von Titan (22 Protonen im Kern) und Berkelium (97 Protonen) soll das 119. Element entstehen. Wenn man ein schwereres Element als Zielscheibe nimmt (Kalifornium — 98.) wird die Synthese des 120. Elementes erwartet. Gerade dieses Element soll als erstes entdeckt werden, weil das Isotop von Kalifornium 251 bereits von US-Kollegen vom Oak Ridge National Laboratory vorbereitet wurde.  In der Praxis ist alles jedoch nicht so einfach. Die Suche nach Kernen und der Reaktion, bei der sich ein neues überschweres Element bildet, kann Jahre in Anspruch nehmen.

    Beide bislang hypothetischen Elemente (119. und 120.) werden nur eine kurze “Lebensdauer”  haben, weil sie sich abseits der „Insel der Stabilität“ befinden. So wird eine Gruppe der überschweren Elemente mit ungewöhnlich großer Lebensdauer genannt.

    Wann endet die Mendelejew-Tabelle?

    Laut Juri Oganessjan interessiert die Wissenschaftler jetzt nicht so sehr die Entdeckung neuer überschwerer Elemente, sondern vor allem die Analyse der Eigenschaften der bereits vorhandenen, unter anderem des 118. Elements.

    Es schließt die 18. Reihe ab, die Edelgas umfasst. Logischerweise kann man vermuten, dass es die gleichen Eigenschaften hat, allerdings gibt es Hinweise darauf, dass Oganesson im Unterschied zu den Nachbarn in chemische Reaktionen eintreten wird.

    Dennoch hat das 118. Element eine zu kurze Lebensdauer. Zu seiner Analyse soll eine absolut neue Methodik entwickelt werden. Inzwischen werden mit dem Teilchenbeschleuniger DZ-280 Copernicium, Flerovium und Moskovium erforscht.

    Was kommt danach? Wie viele chemische Elemente gibt es überhaupt? Beginnend mit welcher Nummer wird das periodische Mendelejew-Gesetz nicht mehr gelten? Da das Jahr 2019 dem 150. Jahrestag der Entdeckung des russischen Wissenschaftlers gewidmet ist, wird diese Frage derzeit häufig gestellt.

    Nicht ausgeschlossen ist, dass die Grenze zwischen den Gruppen mit dem Anstieg der Atomnummer verwischt wird und schließlich verschwindet. Doch das ist bislang nur eine Hypothese, die nur mit Experimenten bestätigt bzw. widerlegt werden kann.

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    Periodensystem, Sensation, Physik, Entdeckung, Forschung, Forschugnsinstitut für Kernphysik, Dmitri Mendelejew, Dubna, Gebiet Moskau, Russland