Meister der Isotope

Gottfried Münzenberg hat an der Erzeugung neuer Elemente mitgewirkt und 218 der rund 3100 bekannten Isotope entdeckt. Damit hält er den Weltrekord in dieser Disziplin.

Gottfried Münzenberg, 72, war bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt maßgeblich an der Erzeugung von sechs neuen Elementen (107 bis 112) beteiligt. Zudem hat er 218 der rund 3100 bekannten Isotope erstmals dingfest gemacht. Damit hält er den Weltrekord in dieser Disziplin. Im Interview spricht er über den Wettlauf zu immer schwereren Elementen, doppelt magische Kerne und die Grenzen des Periodensystems.

Technology Review: Herr Professor Münzenberg, ein US-Wissenschaftler hat kürzlich zusammengezählt, dass kein Mensch mehr Isotopen erzeugt hat als Sie und Ihr Team – waren Sie da überrascht?

Gottfried Münzenberg: Ja. Ich wusste es vorher nicht, und habe mir darüber auch überhaupt keine Gedanken gemacht. Wir haben irgendwann aufgehört zu zählen.

TR: Als Sie in den siebziger Jahren begonnen haben, in Darmstadt an schweren Elementen zu forschen, hatte Berkeley bereits einen riesigen Vorsprung. Wie haben Sie den aufgeholt?

Münzenberg: Die Berkeleyaner haben mit einer anderen Methode gearbeitet: Sie haben ein "Target" aus möglichst schweren Kernen, etwa Americium, mit einem Strahl aus sehr leichten Kernen beschossen, etwa Sauerstoff oder Stickstoff. So verschmelzen Target und Projektil zu einem neuen Element. Die dabei entstehenden Kerne sind aber sehr energiereich und zerplatzen leicht. Über das Element 106 kommt man mit dieser Methode sehr schlecht hinaus.

TR: Was haben Sie anders gemacht?

Münzenberg: Im Wesentlichen zwei Dinge. Erstens: Wir haben mit "doppelt magischen" Isotopen gearbeitet. "Doppelt magisch" bedeutet: Solche Isotope – zum Beispiel Calcium 48 oder Blei 208 – haben eine Protonen- und Neutronenzahl, die jeweils eine Art Schale im Kern vollständig auffüllt. Das macht sie extrem stabil. Offenbar spielen diese doppelt magischen Kerne eine besondere Rolle bei der Synthese superschwerer Elemente. Jedenfalls wurden die letzten Schwerelemente alle mit einem Strahl aus Calcium 48 erzeugt.

TR: Und zweitens?

Münzenberg: Der zweite, noch viel wichtigere Fortschritt war der genauere Nachweis der neu entstandenen Elemente. Die Berkeleyaner haben diese erst mit Gas zu einem Detektor gespült. So konnten sie nur Kerne nachweisen, die wenigstens einige Sekunden lang stabil bleiben. Viele superschwere Elemente zerfallen allerdings schon nach Millisekunden oder noch schneller. Außerdem konnte man mit der Berkeley-Methode nur Gruppen von vier, fünf, sechs, sieben Atomen sehen. Unser Detektor erfasst hingegen die Reaktionsprodukte direkt, wenn sie aus dem Target herausfliegen und trennt sie vom Projektilstrahl ab. Auf diese Weise können wir den Zerfall von jedem einzelnen Kern beobachten, und die Zerfallskette eines einzelnen Atoms über Tage nachverfolgen. Element 109 beispielsweise haben wir mit nur einem einzigen Atom nachgewiesen.

TR: Haben Sie ein Lieblingselement?

Münzenberg: Natürlich Bohrium, das Element 107 – weil es unser erstes war. Am spannendsten war aber Hassium, Element 108. Das hätte nach den damaligen theoretischen Vorhersagen eigentlich gar nicht existieren dürfen. Wie wir dann herausgefunden haben, hat es aber eine stabilisierende Schale im Kern, die damals keiner kannte. Wenn es diese Schale nicht gäbe, dann wäre auch die ganze weitere Elementenforschung ausgefallen.

TR: Wann genau weiß man, dass man ein neues Element entdeckt hat?

Münzenberg: Bei den ersten Elementen hatten wir noch einen Nadeldrucker. Wenn die Detektoren eine ganze Zerfallskette gefunden hatten, machte es rattattata, rattattata, rattattata, rattattata, rattattata, rattattata! Da wussten wir schon mal: Aha, hier ist etwas Interessantes passiert. Dann schauen wir uns das an und können schon mit großer Wahrscheinlichkeit sagen, dass wir etwas Neues entdeckt haben. Das Element 107 wurde mitten in der Nacht entdeckt. Der Kollege Karl-Heinz Schmidt war so aufgeregt, dass er eine Feuerwerk-Rakete angezündet hat. Keine Ahnung, woher er die hatte.

TR: Wie kommen neue Elemente zu ihrem Namen?

Münzenberg: Da gibt es feste Regeln. Erstens müssen alle künstlichen Elemente auf -ium enden. Das ist die Vorgabe der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), die für die Vergabe der Namen zuständig ist. Zweitens sollten die Namen in irgendeinem Zusammenhang stehen mit dem Element. Also zum Beispiel Forscher, die sich besonders verdient gemacht haben. Oder aber der Syntheseort. Deswegen gibt es Darmstadtium und Hassium, der lateinische Name von Hessen.

TR: Das schwerste derzeit bekannte Element hat 118 Protonen im Kern. Ist das Periodensystem damit abgeschlossen?

Münzenberg: Nein, die theoretische Grenze liegt bei etwa 160 Protonen. Ab dann zieht die Ladung des Atomkerns die Elektronen so stark an, dass sie in den Kern stürzen.

TR: Wie viele weitere Elemente lassen sich noch künstlich erzeugen?

Münzenberg: Das wissen wir nicht genau. Die Theorie sagt zwar, dass weitere Elemente existieren können. Aber über das vor sechs Jahren erzeugte Element 118 hinauszukommen ist sehr, sehr schwierig. Mit der herkömmlichen Methode kommt man da nicht mehr weiter.

TR: Kann man nicht einfach noch schwerere Kerne nehmen, um weitere Elemente zu erzeugen?

Münzenberg: Das ist nicht so einfach. Die Targets müssen in einem Reaktor "erbrütet" werden, damit man eine ausreichende Menge bekommt. Und da gibt es eine natürliche Grenze – sie kommen auf diese Weise nicht über das Fermium, Element 100, hinaus. Die praktische Grenze liegt aber schon bei Californium, Element 98, weil das Targetmaterial lang genug leben und in ausreichender Menge vorliegen muss. Sie können also keine schwereren Targets nehmen. Also brauchen Sie schwerere Projektile. Dabei gibt es ein anderes Problem – diese Kerne sind dann nicht mehr "doppelt magisch". Dahinter steht eine große Frage, die man bisher nicht verstanden hat: Wie wichtig ist das "Doppelt-Magischsein" für die Synthese schwerer Elemente? Deswegen ist es sehr schwierig vorauszusagen, welche Elemente man noch erzeugen kann. Man muss halt experimentieren – mit genaueren Nachweismethoden und besseren Beschleunigern.

TR: Könnte man dazu nicht den LHC in Genf nehmen?

Münzenberg: Nein, das geht nicht. Um schwere Elemente zu erzeugen, muss ich Projektil und Target sehr vorsichtig aufeinander schießen, damit die Kerne nicht gleich wieder zerplatzen. Deswegen brauchen wir – verglichen mit dem LHC – sehr kleine Energien. Wichtig ist für uns aber eine hohe Strahlintensität. Deshalb brauchen wird ganz andere Beschleunigertypen.

TR: Gibt es eine Chance, noch neue Elemente in der Natur zu entdecken?

Münzenberg: Diese Frage ist offen. Alle Elemente oberhalb von Blei mit seinen 82 Protonen zerfallen irgendwann. Die Elemente bis hin zum Uran (92 Protonen) sind nur noch deshalb da, weil sie bei der Entstehung des Sonnensystems in großer Menge erzeugt wurden und langsam genug zerfallen. Falls noch schwerere Elemente als Uran auf der Erde oder im All existieren, dann nur in sehr, sehr kleinen Mengen, die praktisch nicht nachweisbar sind.

TR: Während des Kalten Krieges war die Synthese neuer Elemente ein Prestigeduell zwischen Ost und West. Was hat sich seitdem getan?

Münzenberg: Sie haben Recht: Der Kalte Krieg wurde auch bei den schweren Elementen ausgetragen, insbesondere zwischen den Leuten aus Berkeley in Kalifornien und dem russischen Dubna. Die haben sich regelrecht bekriegt. Eine gewisse Zeit lang haben die Leute aus Berkeley gar keine Dubna-Berichte mehr gelesen. Wir, also die Leute an der Gesellschaft für Schwerionenforschung, haben ein bisschen dazu beigetragen, das zu entschärfen, weil wir sowohl mit den Berkeleyanern zusammengearbeitet haben als auch mit den Dubna-Leuten. Heute hat sich die Lage Gott sei Dank entspannt, mittlerweile gibt es so eine Art Welt-Kollaboration. Die Kollegen aus Dubna haben uns zum Beispiel schon einmal sehr, sehr teure Isotope für ein gemeinsames Experiment geschenkt.

TR: Hat die Schwerionenforschung Ihr persönliches Weltbild verändert?

Münzenberg: Gerade bei unserer Forschung haben wir es ja mit sehr seltenen Ereignissen und komplizierten Daten zu tun. Da ist es wichtig, nicht etwas zu messen, was man messen will, und was es in Wirklichkeit gar nicht gibt. Das hat mein Weltbild vielleicht dahin verändert, dass ich heute sehr kritisch an solche Sachen herangehe.

TR: Ergeben sich aus Ihrer Forschung auch praktische Anwendungen?

Münzenberg: Für die Elemente selber nicht, denn die zerfallen ja sofort – wohl aber für die Instrumente. Wenn Sie schwere Elemente machen, dann brauchen Sie einen Beschleuniger, der über Wochen mit konstanter Leistung und präziser Energie betrieben werden kann. Das ist zum Beispiel auch für die Tumortherapie wichtig. Die Gesellschaft für Schwerionenforschung hat eine Krebs-Bestrahlung mit energiereichem Kohlenstoff entwickelt, die mittlerweile sehr erfolgreich in Heidelberg läuft. Daran haben wir mit unserer Erfahrung mitgearbeitet. (grh)