03.01.2022 - Michigan State University

Ein neues, rekordverdächtiges Isotop

Internationales Team stellt ein Magnesiumisotop her, das es so noch nie gegeben hat

In Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam hat die Michigan State University dazu beigetragen, die bisher leichteste Version oder das leichteste Isotop von Magnesium zu erzeugen.

Dieses Isotop, das im National Superconducting Cyclotron Laboratory der MSU (NSCL) geschmiedet wurde, ist so instabil, dass es zerfällt, bevor Wissenschaftler es direkt messen können. Dennoch kann dieses Isotop, das nicht existieren will, den Forschern helfen, besser zu verstehen, wie die Atome, die unsere Existenz definieren, hergestellt werden.

Unter der Leitung von Forschern der Universität Peking in China arbeitete das Team mit Wissenschaftlern der Washington University in St. Louis, der MSU und anderen Institutionen zusammen.

"Eine der großen Fragen, für die ich mich interessiere, ist, woher die Elemente des Universums kommen", sagte Kyle Brown, Assistenzprofessor für Chemie an der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB). Brown war einer der Leiter der neuen Studie, die am 22. Dezember in der Zeitschrift Physical Review Lettersveröffentlicht wurde .

"Wie werden diese Elemente hergestellt? Wie laufen diese Prozesse ab?", fragte Brown.

Das neue Isotop wird diese Fragen nicht von selbst beantworten, aber es kann helfen, die Theorien und Modelle zu verfeinern, die Wissenschaftler entwickeln, um solche Rätsel zu erklären.

Die Erde ist voll von natürlichem Magnesium, das vor langer Zeit in den Sternen geschmiedet wurde und seitdem ein wichtiger Bestandteil unserer Ernährung und der Mineralien in der Erdkruste ist. Aber dieses Magnesium ist stabil. Sein Atomkern, oder Nukleus, fällt nicht auseinander.

Das neue Magnesiumisotop ist jedoch viel zu instabil, um in der Natur vorkommen zu können. Durch den Einsatz von Teilchenbeschleunigern zur Herstellung von immer exotischeren Isotopen wie diesem können Wissenschaftler jedoch die Grenzen von Modellen ausloten, die erklären, wie alle Kerne aufgebaut sind und zusammenhalten.

Dies wiederum hilft bei der Vorhersage von Vorgängen in extremen kosmischen Umgebungen, die wir auf der Erde vielleicht nie direkt nachahmen oder messen können.

"Indem wir diese Modelle testen und sie immer besser machen, können wir extrapolieren, wie Dinge funktionieren, die wir nicht messen können", so Brown. "Wir messen die Dinge, die wir messen können, um die Dinge vorherzusagen, die wir nicht messen können.

Seit 1982 unterstützt das NSCL Wissenschaftler auf der ganzen Welt dabei, das Verständnis der Menschheit für das Universum zu verbessern. FRIB wird diese Tradition fortsetzen, wenn die Experimente im Jahr 2022 beginnen. FRIB ist eine Einrichtung des U.S. Department of Energy Office of Science (DOE-SC) und unterstützt den Auftrag des DOE-SC Office of Nuclear Physics.

"FRIB wird eine Menge Dinge messen, die wir in der Vergangenheit nicht messen konnten", sagte Brown. "Wir haben bereits ein genehmigtes Experiment, das am FRIB laufen soll. Und wir sollten in der Lage sein, einen weiteren Kern zu erzeugen, der bisher noch nicht hergestellt wurde."

Auf dem Weg zu diesem zukünftigen Experiment hat Brown an vier verschiedenen Projekten mitgewirkt, bei denen neue Isotope hergestellt wurden. Dazu gehört auch das neueste, das als Magnesium-18 bekannt ist.

Alle Magnesiumatome haben 12 Protonen in ihren Kernen. Bisher hatte die leichteste Version des Magnesiums 7 Neutronen, so dass es insgesamt 19 Protonen und Neutronen hatte - daher die Bezeichnung Magnesium-19.

Um das um ein Neutron leichtere Magnesium-18 herzustellen, ging das Team von einer stabilen Version des Magnesiums, Magnesium-24, aus. Das Zyklotron am NSCL beschleunigte einen Strahl von Magnesium-24-Kernen auf etwa die halbe Lichtgeschwindigkeit und schickte diesen Strahl auf ein Ziel, eine Metallfolie aus dem Element Beryllium. Und das war nur der erste Schritt.

"Bei dieser Kollision erhält man einen Haufen verschiedener Isotope, die leichter sind als Magnesium-24", so Brown. "Aber aus dieser Suppe können wir das gewünschte Isotop heraussuchen".

In diesem Fall ist das Isotop Magnesium-20. Diese Version ist instabil, d. h. sie zerfällt in der Regel innerhalb von Zehntelsekunden. Das Team muss also das Magnesium-20 dazu bringen, mit einem anderen, etwa 30 Meter entfernten Beryllium-Ziel zu kollidieren.

"Aber es bewegt sich mit halber Lichtgeschwindigkeit", sagt Brown. "Es kommt ziemlich schnell an."

Bei der nächsten Kollision entsteht Magnesium-18, das eine Lebensdauer von etwa einer Sextillionstel Sekunde hat. Das ist eine so kurze Zeit, dass Magnesium-18 sich nicht mit Elektronen umhüllt, um ein vollwertiges Atom zu werden, bevor es zerfällt. Es existiert nur als nackter Atomkern.

Tatsächlich ist die Zeit so kurz, dass Magnesium-18 das Beryllium-Target nie verlässt. Das neue Isotop zerfällt innerhalb des Targets.

Das bedeutet, dass die Wissenschaftler das Isotop nicht direkt untersuchen können, aber sie können die verräterischen Zeichen seines Zerfalls charakterisieren. Magnesium-18 stößt zunächst zwei Protonen aus seinem Kern aus und wird zu Neon-16, das dann zwei weitere Protonen ausstößt und zu Sauerstoff-14 wird. Durch die Analyse der Protonen und des Sauerstoffs, die das Target verlassen, kann das Team auf die Eigenschaften von Magnesium-18 schließen.

"Das war eine Teamleistung. Alle haben wirklich hart an diesem Projekt gearbeitet", sagte Brown. "Es ist ziemlich aufregend. Es kommt nicht jeden Tag vor, dass man ein neues Isotop entdeckt".

Dennoch fügen Wissenschaftler der Liste der bekannten Isotope, die in die Tausende geht, jedes Jahr neue Einträge hinzu.

"Wir fügen Tropfen in einen Eimer hinzu, aber es sind wichtige Tropfen", sagte Brown. "Wir können unsere Namen unter diesen Eintrag setzen, das ganze Team kann das. Und ich kann meinen Eltern sagen, dass ich geholfen habe, diesen Kern zu entdecken, den noch niemand zuvor gesehen hat."

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