Forscher rätseln über “magisches” Sauerstoffatom

Ein Sauerstoffatom hat 8 Protonen und 8 Neutronen - so lernt man es zumindest in der Schule. Japanische Forscher*innen haben jetzt erstmals ein Sauerstoff-Isotop hergestellt, das neben den 8 Protonen noch 20 Neutronen im Kern besitzt - ein sogenanntes "magisches" Isotop. Dieses scheint sich den Gesetzen der Physik zu widersetzen.

Magische Isotope sind eigentlich sehr stabil

Isotope zeichnen sich dadurch aus, dass sie zwar eine gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen haben, sie sich aber in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Dabei hat auch der Atomkern eine festgelegte Struktur - dachte man bisher zumindest.

Wie Elektronen sind auch Protonen und Neutronen in Schalen angeordnet, wodurch sie stabiler werden. Sind diese Schalen mit 2, 8, 20, 28, 50 oder 82 Protonen oder Neutronen, gefüllt, ist es sehr schwer, noch Partikel hinzuzufügen oder abzuspalten. Wissenschaftler*innen sprechen dann von "magischen Isotopen". Verfügt ein Kern über eine magische Anzahl von sowohl Neutronen als auch Protonen, wird er "doppelt magisch" - und damit noch stabiler.

Beim gängigen Sauerstoff-16-Atom handelt es sich um ein solches "doppelt magisches" Atom, es besitzt 8 Protonen und 8 Neutronen. Das Sauerstoff-28-Isotop ist mit seinen 8 Protonen und 20 Neutronen zumindest in der Theorie ebenfalls doppelt magisch.

Um das Isotop zu erzeugen, feuerten die Forscher*innen Kalzium-48-Isotope auf Beryllium, wodurch Fluor-29 entsteht. Von diesem musste man nur noch ein Proton ablösen, um Sauerstoff-28 zu erhalten.

Zu schneller Zerfall für ein "magisches" Isotop

Das Isotop ist extrem kurzlebig, weshalb man es noch nicht direkt nachweisen kann. Das Team wies stattdessen seine Zerfallsprodukte nach - ein Sauerstoff-24-Isotop und 4 Neutronen.

Eine solch genaue Messung ist erst seit wenigen Jahren möglich. "Die gleichzeitige Messung von bis zu 2 Neutronen wurde bereits durchgeführt, aber dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler 4 Neutronen gleichzeitig nachgewiesen haben", sagt Forscher Takashi Nakamura vom Tokyo Institute of Technology gegenüber Nature. 

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Das Isotop verhielt sich allerdings nicht so, wie es die Forscher*innen erwarteten. Obwohl es sich um ein vermeintlich stabiles, magisches Isotop handelte, zerfiel es so schnell, dass nicht einmal eine Halbwertszeit ermittelt werden konnte. Frühere Studie zeigten allerdings, dass Sauerstoff-24 mit seinen 8 Protonen und 16 Neutronen "magische" Eigenschaften aufweist. Die Halbwertszeit beträgt hier 61 Millisekunden.

Die jetzigen Ergebnisse zeigen wieder: Es ist nicht klar, wie viele Protonen und Neutronen man in einen Atomkern zusammenbringen kann, damit er für zumindest für kurze Zeit stabil ist. Das japanische Forscherteam arbeitet daher bereits an der Herstellung von Sauerstoff-30. Vielleicht ist das ja stabiler.