Das Streben nach Stabilität in superschweren Elementen: Ein Blick aus den Sternen

von Liam O'Connor
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superheavy elements

Die Suche nach stabilen superschweren Elementen, von denen Schätzungen zufolge etwa 164 Protonen besitzen, wird fortgesetzt, während Wissenschaftler sich mit der Möglichkeit befassen, dass Asteroiden als Lagerstätten für diese schwer fassbaren Atomstrukturen dienen könnten. Aktuelle Weltraumbemühungen zielen darauf ab, Asteroidenproben zu beschaffen und auf Spuren solcher Elemente zu untersuchen, was möglicherweise unser Verständnis der Atomtheorie und des gesamten Universums verändern wird.

Historisch gesehen war die Entdeckung neuer Elemente ein bedeutendes wissenschaftliches Ziel, wobei Fortschritte beim Verständnis des atomaren Aufbaus und der Nuklearwissenschaft die Transmutation von Elementen ermöglichten, die einst das Reich alchemistischer Bestrebungen war.

In den letzten Jahren haben Forschungsteams aus Ländern wie den USA, Deutschland und Russland hochentwickelte Technologien zur Verschmelzung von Atomkernen eingesetzt und so neuartige superschwere Elemente geschaffen.

Diese Elemente sind für ihre Instabilität aufgrund der erhöhten Anzahl von Protonen in ihren Kernen bekannt, was typischerweise dazu führt, dass elektromagnetische Kräfte die Kernkräfte, die den Kern binden, übertreffen. Derzeit umfasst das Periodensystem Elemente mit bis zu 118 Protonen.

Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine „magische Zahl“ von etwa 164 Protonen ein Gleichgewicht erreichen könnte, bei dem Kernkräfte der elektromagnetischen Abstoßung entgegenwirken, was zu einer hypothetischen „Insel der Stabilität“ führen würde.

Da sich die Laborsynthese als Herausforderung erweist, weiten Forscher ihre Suche auf außerirdische Quellen aus. Das Verständnis der Eigenschaften dieser Elemente, beispielsweise ihrer Massendichten, ist ein entscheidender Aspekt dieser Suche.

Beurteilung der Massendichte

Meine Kollegen und ich begannen mit der Abschätzung der Massendichte dieser superschweren Elemente, einer entscheidenden Eigenschaft für das Verständnis ihres nuklearen Verhaltens und potenzieller Verstecke.

Unser Ansatz bestand darin, diese Elemente als große geladene Wolken zu modellieren, eine Technik, die sich besonders für große Atomstrukturen eignet, insbesondere für metallische Strukturen in einem Gitter. Die Validierung unseres Modells anhand bekannter Dichten ermöglichte es uns, die Dichte der Elemente innerhalb der vermuteten Stabilitätsinsel vorherzusagen.

Unsere konservativen Berechnungen legen nahe, dass stabile superschwere Metalle mit Ordnungszahlen in der Nähe von 164 Dichten zwischen 36 und 68 g/cm³ aufweisen könnten. Angesichts der konservativen Natur unserer Annahmen könnten die tatsächlichen Zahlen jedoch erheblich höher ausfallen.

Die Verbindung zwischen Asteroiden und dichten Elementen

Die Hypothese, dass schwere Elemente wie Gold von Asteroiden auf die Erde gebracht wurden, verleiht der Möglichkeit Glaubwürdigkeit, dass superschwere Elemente ein ähnliches Schicksal erlitten haben könnten. Aufgrund geologischer Prozesse wie der tektonischen Subduktion würden solche Elemente jedoch wahrscheinlich unter die Erdkruste sinken und sie unzugänglich machen. Umgekehrt könnten Asteroiden diese Elemente behalten.

Der massereichste bekannte Asteroid namens Polyhymnia weist eine berechnete Dichte auf, die die von Osmium, dem dichtesten natürlich vorkommenden Element auf der Erde, bei weitem übertrifft, obwohl diese Messungen aufgrund der logistischen Herausforderungen bei der Beurteilung entfernter Himmelskörper mit Unsicherheiten behaftet sind.

Astronomische Phänomene wie die Verschmelzung von Doppelsternen könnten die notwendigen Voraussetzungen für die Bildung stabiler superschwerer Elemente schaffen. Anschließend könnten diese Elemente über Äonen hinweg in Asteroiden eingeschlossen bleiben.

Kommende Aussichten

Die Gaia-Mission der Europäischen Weltraumorganisation soll die bisher detaillierteste 3D-Himmelskarte liefern, die Asteroiden mit anomalen Dichten aufdecken könnte, die auf das Vorhandensein superschwerer Elemente hinweisen.

Probengewinnungsmissionen wie OSIRIS-REx der NASA haben bereits Material von Asteroiden geringer Dichte zurückgebracht, wobei sich die Analysen noch in der Anfangsphase befinden. Obwohl die Aussichten weiterhin gering sind, besteht die Möglichkeit, dass diese Proben superschwere Elemente enthalten.

Darüber hinaus wird erwartet, dass die Psyche-Mission der NASA Daten von einem metallischen Asteroiden sammelt, was möglicherweise die Wahrscheinlichkeit erhöht, superschwere Elemente zu finden. Die Fortsetzung solcher Missionen verspricht, unser Verständnis des Kosmos und der Entwicklung unseres Sonnensystems zu vertiefen.

Verfasst von Johann Rafelski, Physikprofessor an der University of Arizona, mit Beiträgen von Evan LaForge und Will Price, Physikstudenten der Universität.

Basierend auf einem Artikel aus The Conversation bietet diese Adaption Einblicke in die ursprüngliche Forschung, die im European Physical Journal Plus veröffentlicht wurde.

Zitat: LaForge, E., Price, W. & Rafelski, J. (2023). Superschwere Elemente und ultradichte Materie. The European Physical Journal Plus, DOI: 10.1140/epjp/s13360-023-04454-8

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zu superschweren Elementen

Was sind superschwere Elemente und warum sind sie wichtig?

Superschwere Elemente sind atomare Elemente mit einer hohen Anzahl von Protonen in ihren Kernen, denen theoretisch einzigartige Stabilitätseigenschaften zugeschrieben werden. Sie sind wichtig, da sie unser Verständnis des Periodensystems erweitern und Einblicke in die Kernphysik und die kosmische Entstehung bieten könnten.

Wie könnten Asteroiden mit superschweren Elementen zusammenhängen?

Asteroiden können superschwere Elemente enthalten und diese dichten Materialien möglicherweise zur Erde transportiert haben, ähnlich wie sie es bei anderen Schwermetallen taten. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die stabilen Versionen dieser Elemente noch immer in den Kernen von Asteroiden zu finden sind.

Was ist die „Insel der Stabilität“ in der Kernphysik?

Die „Insel der Stabilität“ bezieht sich auf eine vorhergesagte Zone im Periodensystem, in der superschwere Elemente mit einer bestimmten Anzahl von Protonen (ca. 164) aufgrund eines Gleichgewichts der Kernkräfte Stabilität aufweisen könnten, im Gegensatz zu den meisten schweren Elementen, die instabil sind.

Was sind die Herausforderungen beim Nachweis superschwerer Elemente?

Der Nachweis superschwerer Elemente ist aufgrund ihrer Instabilität und Seltenheit eine Herausforderung. Es ist schwierig, sie in Laborumgebungen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, und es wird angenommen, dass sie aufgrund geologischer Prozesse auf der Erdoberfläche nahezu erschöpft sind.

Wie könnten zukünftige Weltraummissionen bei der Erforschung superschwerer Elemente helfen?

Zukünftige Weltraummissionen könnten helfen, indem sie Asteroidenproben entnehmen und zur Analyse zur Erde zurückbringen. Missionen wie OSIRIS-REx und Psyche der NASA zielen darauf ab, Daten und Proben von Asteroiden zu sammeln, die diese schwer fassbaren Elemente enthalten könnten, und eröffnen so neue Forschungsmöglichkeiten.

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5 Kommentare

Mike O'Reilly November 6, 2023 - 5:14 am

Toller Artikel, aber im zweiten Absatz gibt es einen Tippfehler. Wenn es um die Elemente geht, sollte „have“ und nicht „hat“ heißen

Antwort
Ethan K November 6, 2023 - 11:01 am

Der Teil über die Insel der Stabilität ist faszinierend, aber wie sie überhaupt vorhersagen können, dass 164 die magische Zahl ist, erscheint mir etwas zufällig

Antwort
Samantha B. November 6, 2023 - 11:04 am

Ich muss sagen, es ist ziemlich cool, darüber nachzudenken, welche Geheimnisse Asteroiden bewahren könnten, ich habe noch nie zuvor so darüber nachgedacht

Antwort
Jenna Smith November 6, 2023 - 2:32 pm

Wirklich interessante Dinge hier, aber ich denke, Sie hätten etwas tiefer in die Materie eintauchen können, wie genau diese Elemente erstellt werden? wie in Sternen oder so

Antwort
Lucy Mendoza November 6, 2023 - 4:24 pm

Ich habe die Gelegenheit verpasst, dies mit dem Gesamtbild zu verknüpfen. Wie wirkt sich das auf mich oder den Durchschnittsmenschen aus? Hat es praktische Vorteile?

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