Kernphysik: Exotisches Isotop überrascht Physiker

Achtzig Jahre nach der ersten Kernspaltung durch Otto Hahn kann das rätselhafte Verhalten von Atomkernen Physiker noch immer verblüffen. Neuestes Beispiel ist eine Variante des Elements Zirkonium, das Zirkonium-88. Es wirkt offenbar auf Neutronen, jene Kernbausteine, die in Atomreaktoren die Kettenreaktion am Laufen halten, wie ein Schwamm. Beschießt man Atomkerne von Zirkonium-88 mit Neutronen, verschmilzt beides zu dem etwas schwereren Zirkonium-89.

Die Zahl im Namen steht dabei für die Anzahl von Protonen und Neutronen, die sich in einem Atomkern befinden. Die Protonenzahl definiert die chemischen Eigenschaften des Elements - also mit welchen anderen Stoffen das betreffende Element reagiert und wie dies geschieht - und daher auch seinen Namen. In einem Experiment US-amerikanischer Kernphysiker passierte die Umwandlung von Zirkonium-88-Kernen nun fast 100 000-mal so häufig, wie es Modellrechnungen erwarten ließen ( Nature). Es ist die erste Entdeckung dieser Art seit 70 Jahren; bisher ist in der Physik nur ein einziger Stoff bekannt, der Zirkonium-88 in seinem Neutronenhunger übertrifft: Xenon-135.

Die Studie widerspricht allen "kernphysikalischen Bauernregeln"

"Dieses Ergebnis zeigt erneut, dass die Kernphysik im Gegensatz zu manch anderen Disziplinen noch kein 'Standardmodell' hat, mit dem man 'fast alles' berechnen oder vorhersagen kann", sagt Ulli Koester vom Laue-Langevin Institut in Grenoble. Im Wesentlichen werde der Fortschritt der Disziplin bisher durch Experimente getragen. Da die Energiestruktur von Atomkernen sehr schwer zu berechnen sei, vertraue man derzeit noch auf experimentelle Erfahrungswerte, ähnlich wie bei der Wettervorhersage. "Das Ergebnis ist etwa so erstaunlich wie hitzefrei am 8. Januar und verstößt eindeutig gegen alle kernphysikalischen Bauernregeln", so das Fazit des Kernphysikers.

Die Autoren der Studie spekulieren denn auch, dass in Zukunft noch mehr seltsame neutronenfressende Stoffe entdeckt werden könnten. Aufgrund verbesserter Messinstrumente wird es möglich, in Zukunft mehr Substanzen zu untersuchen, die, wie Zirkonium-88, radioaktiv sind. Bisher haben sich diese einer Analyse entzogen, da man sie nicht in ausreichender Menge herstellen konnte. Gut möglich also, dass sich die Häufigkeit der Entdeckung von Stoffen mit sehr großer Wahrscheinlichkeit für Neutroneneinfang erhöht - in letzter Zeit hat sich auf diesem Feld eher wenig getan: Die Stoffe auf Platz eins und drei der Rangliste, Xenon-135 und Gadolinium-157, wurden schon 1948 und 1935 als sehr neutronenhungrig identifiziert.

Ob man den Zirkonium-88 für praktische Anwendungen nutzen kann, ist noch unklar. Grundsätzlich kann man derartige "Neutronenstaubsauger" unter anderem dafür verwenden, einem Reaktor Neutronen zu entziehen und so die Zahl der Kernreaktionen zu verringern. Dies ist nötig, wenn ein Reaktor droht, in den sogenannten superkritischen Bereich zu gelangen. Von Superkritikalität spricht man, wenn der Beschuss eines Atomkerns mit einem Neutron im Mittel die Aussendung von mehr als einem anderen Neutron bewirkt. Der Reaktor eines Kernkraftwerks hingegen sollte kritisch sein, das heißt, die Anzahl der Neutronen sollte dort konstant bleiben. Die Eignung von Zirkonium-88 für derartige Zwecke wurde in der Studie jedoch nicht untersucht.