Superschwere ElementeDie Reise zur Insel der Stabilität
Steffen Therre
Fakultät für Physik und Astronomie,Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
13. Juni 2014Präzisionsexperimente der Teilchenphysik
EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Was sind Superschwere Elemente?
Unterschiedliche Definitionen:TransuraneElemente mit Ordnungszahl größer als Uran (U): Z > 92
TransactinoideElemente mit Ordnungszahl größer als schwerstes ActinoidLawrencium (Lr): Z > 103
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Das Periodensystem
Quelle:chemistry.about.com
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Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Die Nuklidkarte
Gibt es neues Land hinter dem Nuklidkontinent?Quelle:commons.wikimedia.org
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Grundlagen
Wie funktioniert Kernphysik?ein kurzer Blick in die Theorie
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Tröpfchenmodell
PrinzipWW der Nukleonen im Kern entspricht WW der Wassermoleküleim Wassertropfen.
Bindungsenergie abhängig von A & Z, beschrieben durchWeizsäcker-Formel
leichte Kerne: N ≈ Z , schwere: N > Zstarke WW vs. Coulomb-WW
Aber: bei großen N, Z wird Bindung stärker
Quelle:wikimedia.commons.com
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Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Tröpfchenmodell
PrinzipWW der Nukleonen im Kern entspricht WW der Wassermoleküleim Wassertropfen.
Bindungsenergie abhängig von A & Z, beschrieben durchWeizsäcker-Formel
leichte Kerne: N ≈ Z , schwere: N > Zstarke WW vs. Coulomb-WW
Aber: bei großen N, Z wird Bindung stärker
Quelle:wikimedia.commons.com
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Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Kernschalenmodell
analog zum AtomschalenmodellUnterschiedliche Bindungsenergiender Nukleonenmagische Zahlen:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Wichtig: Gilt für Neutronen undProtonen getrennt!besonders stabil: doppelt magischeNuklide4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 48Ni, 208Pb
Potentialtopfmodell
Quelle:triumf.ca
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MotivationGrundlagenGeschichte
Kernschalenmodell
analog zum AtomschalenmodellUnterschiedliche Bindungsenergiender Nukleonenmagische Zahlen:2, 8, 20, 28, 50, 82, 126
Wichtig: Gilt für Neutronen undProtonen getrennt!besonders stabil: doppelt magischeNuklide4He, 16O, 40Ca, 48Ca, 48Ni, 208Pb
Potentialtopfmodell
Quelle:triumf.ca
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Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Island of Stability
Postulat – Glenn T. SeaborgEs gibt ein Gebiet stabiler Nuklide für Z > 110.
Quelle:damninteresting.com
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Island of Stability
Quelle:commons.wikimedia.com
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Sinn der SHE-Forschung
Wie schwer können Atome werden?Bestätigung/Wiederlegung von Theorien und ModellenKenntnisgewinn in Kernphysik
We search for the island ofstability because, like MountEverest, it is there.
Oliver Sachs
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Sinn der SHE-Forschung
Wie schwer können Atome werden?Bestätigung/Wiederlegung von Theorien und ModellenKenntnisgewinn in Kernphysik
We search for the island ofstability because, like MountEverest, it is there.
Oliver Sachs
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Geschichte
1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U
NC−−→ 23992U
β−−−→ 239
93Np
von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4
2He → 24397Bk + 210n
seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
MotivationGrundlagenGeschichte
Geschichte
1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U
NC−−→ 23992U
β−−−→ 239
93Np
von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4
2He → 24397Bk + 210n
seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)
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MotivationGrundlagenGeschichte
Geschichte
1937: erste künstliche Elementerzeugung (9743Tc)1940: Erzeugung von Neptunium-23923892U
NC−−→ 23992U
β−−−→ 239
93Np
von Neutronen zu Ionen (HILAC, Dubna)erfolgreiche Erzeugung schwerer Transurane (1949)24195Am + 4
2He → 24397Bk + 210n
seit 1975: UNILAC an der GSI in Darmstadtschwerste Elemente erzeugt in Dubna (JINR)
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Neutroneneinfang
Ausgangspunkt: schwerstes natürliches Element:Uran(Z = 92)Neutronenbeschuss zur Erzeugung schwererer Nuklide:23892U
NC−−→ 23992U
β−−−→ 239
93Np β−−−→ 239
94Pu
entstandene Kerne für Z > 100 instabilgeringe Überlebenswahrscheinlichkeit:Fission, α-Zerfall
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Neutroneneinfang
Ausgangspunkt: schwerstes natürliches Element:Uran(Z = 92)Neutronenbeschuss zur Erzeugung schwererer Nuklide:23892U
NC−−→ 23992U
β−−−→ 239
93Np β−−−→ 239
94Pu
entstandene Kerne für Z > 100 instabilgeringe Überlebenswahrscheinlichkeit:Fission, α-Zerfall
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Kernfusion
genutzt zur Erzeugung von Elementen mit Z > 100Prinzip: Projektil P auf schweres Target T
P + T −→ CN∗ −→ F + E
Zwei Voraussetzungen:
1 Coulomb-Barriereüberwinden
2 CN muss Anregungsenergieabgeben→ Neutronenevaporation
Erklärung: Fermi-Kante
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Kernfusion
genutzt zur Erzeugung von Elementen mit Z > 100Prinzip: Projektil P auf schweres Target T
P + T −→ CN∗ −→ F + E
Zwei Voraussetzungen:
1 Coulomb-Barriereüberwinden
2 CN muss Anregungsenergieabgeben→ Neutronenevaporation
Erklärung: Fermi-Kante
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Kalte Fusion
schwere Isotope als Target: 20882Pb, 20983Bi
mittelschwere Projektile: 4820Ca, 5826Fe, 6428Ni, 7832Ge
bevorzugt: (doppelt) magische Nuklide
geringere Anregungsenergie des CN (10-20 MeV)Evaporation: 1n oder 2n, trotzdem: zu wenige N
Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements
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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Kalte Fusion
schwere Isotope als Target: 20882Pb, 20983Bi
mittelschwere Projektile: 4820Ca, 5826Fe, 6428Ni, 7832Ge
bevorzugt: (doppelt) magische Nuklidegeringere Anregungsenergie des CN (10-20 MeV)Evaporation: 1n oder 2n, trotzdem: zu wenige N
Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Heiße Fusion
schwere (Trans-)Actinide als Target: 24094Pu, 24997Bk, 24898Cm
leichtere Ionen als Projektile: 2612Mg, 3414Si, , 4820Ca
höhere Asymmetrie der Z, Coulomb-Barriere
Anregungsenergie des CN ist sehr hoch (bis zu 50 MeV)Evaporation von bis zu 5n
Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements
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Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Heiße Fusion
schwere (Trans-)Actinide als Target: 24094Pu, 24997Bk, 24898Cm
leichtere Ionen als Projektile: 2612Mg, 3414Si, , 4820Ca
höhere Asymmetrie der Z, Coulomb-BarriereAnregungsenergie des CN ist sehr hoch (bis zu 50 MeV)Evaporation von bis zu 5n
Quelle:Heusser: Production of Superheavy Elements
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Betrachtung in Nuklidkarte
Quelle:gsi.de
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Wie misst man SHE?
Analyse des Zerfalls
Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für Schwerionenforschung
Quelle:tu-darmstadt.de
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungUNILAC und SHIP
Universal Linear Accelerator (UNILAC)
hochionisierte Strahlung, große BandbreiteProtonen... , leichte Ionen... , Uran
Quelle:ria.ru
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungUNILAC und SHIP
Separator for Heavy Ion reaction Products (SHIP):
Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP
Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm
Impulserhaltung:
vCN =mp
mp + mt· vp
Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP
Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm
Impulserhaltung:
vCN =mp
mp + mt· vp
Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungFunktion des SHIP
Target-Folien (300-450 µg/cm²)niedrige Schmelztemperaturrotiert mit 400-1100 rpm
Impulserhaltung:
vCN =mp
mp + mt· vp
Dazwischen: Strahlfokussierer, Ablenkmagneten
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungDetektion der SHE
CN in Si-Detektor implantiertMessung der α-Zerfälle(Energie, Position, Zeit)koinzidente γ-Zerfälle im Ge-Detektor
∆E = 14 keV∆x = 150µmT 1
2≥ 15µs
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Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Gesellschaft für SchwerionenforschungDetektion der SHE
CN in Si-Detektor implantiertMessung der α-Zerfälle(Energie, Position, Zeit)koinzidente γ-Zerfälle im Ge-Detektor
∆E = 14 keV∆x = 150µmT 1
2≥ 15µs
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Histogramm: SHE im Silizium-Halbleiter-Detektor
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Diskrete α-Zerfälleoft mehrere Zerfallskanälehäufig sehr kleine Statistik (Größenordnung 100)
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Zerfallsstatistik
6428Ni + 208
82Pb → 271110Ds + 1n
Eproj E∗ Measuring time Ion dose events σ(MeV) (MeV) (days) 1018 (pb)305.3 3.94 0.4 0.09 0 < 38308.6 6.49 0.6 0.15 0 < 25
311.7 8.84 2.7 0.53 2 7.4+9.4−4.8
313.0 9.85 3.5 0.78 6 15+9−6
315.5 11.80 4.8 0.55 1 3.6+6.8−3.0
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Unbegrenzte Möglichkeiten?
Kann man alle SHE mit dieserMethode erzeugen?
Abnahme des WQ für kalteFusionHerausforderungen anExperimentBestrahlungsdauer/-intensität
Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei
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EinleitungErzeugung & Analyse
Ausblick
Methoden der ErzeugungMessungErgebnisse
Unbegrenzte Möglichkeiten?
Kalte Fusion für Z > 112nicht mehr geeignet
WQ-Abnahme auch beiheißer FusionAber: stabilereEndprodukte für Z > 112
Hauptsächlich in Dubna(JINR) durchgeführt
Quelle:Hamilton et al.: Search for Superheavy Nuclei
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Inhalt
1 EinleitungMotivationGrundlagenGeschichte
2 Erzeugung & AnalyseMethoden der ErzeugungMessungErgebnisse
3 AusblickStand der DingeLand in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Erzeugte Transactinoide
Z Name Lebensdauer erste Erzeugung104 Rutherfordium 1.3 h (267Rf) 1964 Dubna105 Dubnium 16 h (268Db) 1967 Dubna106 Seaborgium 2.4 min (271Sg) 1974 Dubna/Berkeley107 Bohrium 17 s (267Bh) 1981 Darmstadt108 Hassium 2.4 min (278Hs) 1984 Darmstadt109 Meitnerium 20 s (274Mt) 1982 Darmstadt110 Darmstadtium 1.1 min (282Ds) 1994 Rätsel!111 Roentgenium 3.6 s (280Rg) 1994 Darmstadt112 Copernicium 34 s (285Cn) 1996 Darmstadt113 Ununtrium 480 ms (284Uut) 2012 Dubna/Wako114 Flerovium 2.7 s (289Fl) 1999 Dubna115 Ununpentium 10 s (289Uup) 2004 Dubna116 Livermorium 53 ms (293Lv) 2000 Dubna117 Ununseptium ≈ 50 ms (292Uus) 2010 Dubna118 Ununoctium 1.8 ms (294Uuo) 2006 Dubna
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Erzeugte Transactinoide
Z Name Lebensdauer erste Erzeugung104 Rutherfordium 1.3 h (267Rf) 1964 Dubna105 Dubnium 16 h (268Db) 1967 Dubna106 Seaborgium 2.4 min (271Sg) 1974 Dubna/Berkeley107 Bohrium 17 s (267Bh) 1981 Darmstadt108 Hassium 2.4 min (278Hs) 1984 Darmstadt109 Meitnerium 20 s (274Mt) 1982 Darmstadt110 Darmstadtium 1.1 min (282Ds) 1994 Darmstadt111 Roentgenium 3.6 s (280Rg) 1994 Darmstadt112 Copernicium 34 s (285Cn) 1996 Darmstadt113 Ununtrium 480 ms (284Uut) 2012 Dubna/Wako114 Flerovium 2.7 s (289Fl) 1999 Dubna115 Ununpentium 10 s (289Uup) 2004 Dubna116 Livermorium 53 ms (293Lv) 2000 Dubna117 Ununseptium ≈ 50 ms (292Uus) 2010 Dubna118 Ununoctium 1.8 ms (294Uuo) 2006 Dubna
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Nochmal die Nuklidkarte
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Wann geht es weiter?
schwierigere/ teurere Target-ErzeugungExperimente zur Erzeugung von 302
120Ubn∗
kleine Wirkungsquerschnitte (≈ 40 fb)Detektor-/Experimentsensibilität verbesserungswürdigNeutronenmangel zur IoS
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Land in Sicht?
noch kein quasi-stabiles Isotop erzeugtLebensdauern werden größer: Trend ist klar erkennbarKernschalenmodell bestätigt
Die Insel der Stabilität istnunmehr gut in Sicht, manweiß nur noch nicht welcheRoute zum Ziel führt.
Walter Greiner
Steffen Therre Superschwere Elemente 35
EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Land in Sicht?
noch kein quasi-stabiles Isotop erzeugtLebensdauern werden größer: Trend ist klar erkennbarKernschalenmodell bestätigt
Die Insel der Stabilität istnunmehr gut in Sicht, manweiß nur noch nicht welcheRoute zum Ziel führt.
Walter Greiner
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AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Land in Sicht?
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Ende
Vielen Dank für die AufmerksamkeitFragen?
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EinleitungErzeugung & Analyse
AusblickStand der DingeLand in Sicht?
Literatur
W. Greiner Heavy Into Stability (2010)J.H. Hamilton et al. Search for Superheavy Nuclei (2013)
G. Münzenberg, M. Gupta Discoveries with cold heavy-ion fusion (2011)S. Hofmann Synthesis of superheavy elements by cold fusion (2009)V.I. Zagrebaev et al. Production of heavy and superheavy neutron-rich
nuclei (2011)G. Münzenberg et al. The identification of Element 108 (1984)U. Mosel, W. Greiner On the Stability of Superheavy Nuclei against
Fission (1969)
Steffen Therre Superschwere Elemente 38
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