Ionenrecycling zur Erforschung der schwersten Elemente

Superschwere Elemente sind äußerst instabil und können nur in winzigen Mengen in Teilchen­beschleu­nigern hergestellt werden. Deshalb werden neue Verfahren zunächst an stabilen Elementen erprobt. Das For­schungs­team an der ISOLDE entwick­elte eine neue Methode auf Basis einer Ionen­falle, um die Elek­tronen­affini­tät von Atomen und Mole­külen präzise zu messen. Zur Demons­tration wurden stabile Chlor­atome verwendet. Die neue Entwicklung erlaubte Mes­sungen mit hundert­tausend­mal weniger Atomen als in allen bishe­rigen Experi­menten. Damit eröffnet sich die Mög­lich­keit, die Elek­tronen­affi­nität auch bei super­schweren Ele­menten zu bestimmen.

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Wie superschwere Elemente chemisch reagieren

Bei herkömmlichen Messungen der Elek­tronen­affi­nität werden Anionen des be­tref­fenden Elements durch den Strahl eines Lasers geschickt. Durch Varia­tion der Laser­fre­quenz kann dann die genaue Pho­tonen­energie ermit­telt werden, bei der das zusätz­liche Elek­tron vom Anion abge­löst wird – diese Energie ent­spricht der Elek­tronen­affi­nität des neu­tralen Atoms. Für insta­bile (super)schwere Elemente, die nur mit wenigen Anionen pro Sekunde oder noch seltener erzeugt werden, reicht jedoch ein ein­mali­ger Durch­lauf durch den Laser­strahl nicht aus, um diese Ener­gie zu messen.

Um dieses Problem zu lösen, fingen die For­schen­den Chlor-Anionen in einem Multi-Ion Reflec­tion Appa­ratus for Col­linear Laser Spectro­scopy (MIRACLS) ein. „Trotz der Verwen­dung von hundert­tausend­mal weniger Chlor-Anionen erreicht unsere neu­artige Methode die gleiche Mess­genauig­keit wie her­kömm­liche Ver­fahren, bei denen die Anionen den Laser­strahl nur einmal pas­sie­ren. Die Verbes­serung beruht auf den etwa sechzig­tausend Durch­gängen der­selben Ionen“, erklärt Studien­leiterin Franziska Maier. „Unsere Methode nutzt die Spiegel der Falle, um die Anionen zu ‚recyceln‘, und eröffnet so einen Weg zu Messungen der Elek­tronen­affinität bei super­schweren Ele­menten.“

Dr. Maier führte die Mes­sungen am CERN im Rahmen ihrer Promo­tion in der Arbeits­gruppe von Lutz Schweik­hard an der Uni Greifs­wald durch. Wie dieser ergänzt, könnten mit zuneh­mender Pro­tonen­zahl auf­grund relativis­tischer Effekte im Bereich der super­schweren Elemente die Grenzen zwischen den Element­gruppen im Perioden­system ver­blassen. „Über die Elek­tronen­affi­nitäten sollen diese Effekte mit der neuen Mess­methode unter­sucht werden.“

Die Greifswalder Arbeits­gruppe verfügt über lang­jährige Erfahrung in der Kon­struk­tion und Anwen­dung elektro­statischer Ionen­strahl­fallen. „Schon vor über zehn Jahren wurde ein auf diesem Prinzip beru­hendes Flug­zeit­massen­spektro­meter in Greifs­wald gebaut und danach zum CERN gebracht. Bis heute wird es dort für die hoch­präzise Bestim­mung der Massen exoti­scher Atom­kerne genutzt“, berichtet Prof. Schweik­hard. „In Greifs­wald wird ein weiteres solches Gerät zur Unter­suchung von atomaren Clustern einge­setzt.“ Auch die Ionen­falle, die nun bei den neuen Experi­menten am CERN im Ein­satz war, wurde ursprünglich in Greifs­wald gebaut. Am CERN wurde sie vom inter­natio­nalen MIRACLS-Team unter der Lei­tung von Stephan Malbrunot-Ettenauer für die Elek­tronen­affi­nitäts­messungen weiter­ent­wickelt und mit den benötigten Lasern ergänzt.

Über die Messung der schwer fass­baren Elektronen­affinitäten super­schwerer Elemente hinaus könnte die MIRACLS-Methode auch auf seltene Elemente auf der Erde angewendet werden – etwa auf Actinium, das wie Astat ein vielver­sprechender Kandidat für die Entwicklung von chemischen Verbin­dungen zur Krebs­behandlung ist. Außerdem könnte sie zur Bestimmung der Elektronen­affinitäten von Molekülen dienen, um theoretische Berech­nungen ihrer elektro­nischen Struktur zu unter­stützen. Solche Berechnungen sind wichtig für die Forschung an Anti­materie und radio­aktiven Molekülen, die zunehmend als Werk­zeuge zur Unter­suchung der fundamen­talen Symme­trien der Natur einge­setzt werden. [U Greifswald / dre]