Kerne mit gefüllten Schalen könnten stabil bleiben

Bei den komplex aufgebauten Kernen ist das eine besondere Herausforderung. Die Elektronen in Atomen bilden – außer beim einfach gebauten Wasserstoff – zwar auch Vielteilchensysteme. Diese sind aber gutmütiger, weil nur die elektromagnetische Kraft die negativ geladenen Elektronen an den positiven Kern bindet. Bei dieser Kraft handelt es sich um die zweitstärkste der vier bekannten physikalischen Grundkräfte. Sie wirkt auch in Atomkernen, allerdings zerstörerisch, treibt sie doch die gleich geladenen Protonen heftig auseinander.

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Auf der Suche nach der Insel der Stabilität: Diese Karte zeigt die Atomkerne unterschiedlicher Massen, die von den Eöementen zwischen Uran und dem Element 118 bekannt sind (grau). Die Massen dreier Nobelium-Isotope (rot) wurden kürzlich extrem präzise bestimmt. Langlebige Atomkerne vermuten die Physiker in der Region um den Schnittpunkt der Linien. [weniger]

Auf der Suche nach der Insel der Stabilität: Diese Karte zeigt die Atomkerne unterschiedlicher Massen, die von den Eöementen zwischen Uran und dem Element 118 bekannt sind (grau). Die Massen dreier Nobelium-Isotope (rot) wurden kürzlich extrem präzise bestimmt. Langlebige Atomkerne vermuten die Physiker in der Region um den Schnittpunkt der Linien.

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Die Existenz unserer materiellen Welt verdanken wir einer weiteren Kraft, die beim Kern ins Spiel kommt, diesen aber auch komplexer macht. Diese starke Kraft zwingt die Protonen und Neutronen zusammen. Sie hat aber nur eine extrem kurze Reichweite. Bei sehr großen Kernen gewinnt deshalb die schwächere, aber weiter reichende elektromagnetische Kraft die Oberhand und lässt diese zerfallen.

Ein stabilisierender Effekt aus der Quantenmechanik kann das allerdings verhindern. Er spielt auch in der Elektronenhülle der Atome eine wichtige Rolle. Elektronen, Protonen und Neutronen zählen nämlich zu einer Sorte Quantenteilchen, die extreme Individualisten sind: Sie beanspruchen einen Quantenzustand für sich alleine. In der Elektronenhülle und im Kern gibt es aber jeweils nur eine streng begrenzte Zahl dieser Quantenplätze. Sie bilden Schalen, ungefähr wie Sitzreihen im Theater.

Bei den Elektronenhüllen sorgt so eine volle Elektronen-Sitzreihe für die Eigenschaften der Edelgase. Die gefüllten Schalen sind extrem energiesparend und damit sehr stabil. Dasselbe erwartet die Kernphysik bei schalenförmig aufgebauten Atomkernen: Jede mit Protonen oder Neutronen voll gefüllte, stabile Schale entspricht einer magischen Zahl von Kernbausteinen.

Diese magische Quanteneigenschaft soll sogar superschwere Kerne zusammenschweißen, die eigentlich zerplatzen müssten. Blaum zeigt auf der Nuklidkarte auf die Massengegend um 120 Protonen und 184 Neutronen: „Gibt es dort auch solche magischen Schalen?“ Wenn ja, dann liegt dort vermutlich die Insel der Stabilität – wenn sie denn existiert.

Bislang ist es den Physikern jedoch noch nicht gelungen, solche superschweren Kerne mit sehr vielen Neutronen herzustellen. Deshalb bleibt offen, ob die Modellvorstellungen der Kernphysik überhaupt für Vorhersagen dieser Art gelten. Etwas leichtere Kerne genau zu wiegen kann aufzeigen, welche der konkurrierenden Kernmodelle die Natur besser beschreiben. Damit sollte sich auch konkreter bestimmen lassen, ob es die hypothetische Insel der Stabilität gibt und – wenn ja – wo sie liegt.

Die Stabilität von Kernen führte Blaum bereits in einer langjährigen Kooperation am Europäischen Forschungslaboratorium CERN in Genf zu den Novae und Supernovae. Diese gelten als Brutstätten der schwereren Elemente. Im Gegensatz zur GSI kann die dortige Isolde-Anlage zwar nur leichtere Atomkerne produzieren. Doch auch unter diesen gibt es Exemplare, die während des Todeskampfs der Sterne eine entscheidende Rolle spielen.