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Kernchemie: Transurane und Transactinide

Die Erforschung der Transurane ist ein prestigeträchtiges Feld und ein mühsames Geschäft. Immer wieder einmal gibt es Meldungen über ein neu erschaffenes Element, das für ein paar Millisekunden existierte. Die Suche nach Elementen mit ganz neuen Eigenschaften fasziniert die Forscher und befruchtet die Grundlagenforschung. Es ist das große Feld der Kernchemie.

Die Chemie eines Elementes wird weitgehend über die Elektronenhülle bestimmt. Aber diese definiert sich über die Ordnungszahl oder Kernladungszahl (Z), die Anzahl der Protonen im Atomkern.

Zur Erschaffung eines neuen, bisher in der Natur nie dagewesenen Atoms, muss ein Kern Protonen aufnehmen. Das ist nicht einfach. Denn die Nukleonen, die Kernteilchen Proton und Neutron, werden von der starken Wechselwirkung oder hadronischen Kraft, der stärksten Kraft im Universum, zusammengehalten.

Sie ist zwar um ein Vielfaches stärker als die elektrostatische Abstoßung der Protonen und die noch schwächere Gravitationskraft zwischen den Nukleonen, reicht aber nicht weit. Schon nach wenigen Femtometern spielt sie keine Rolle mehr. Sie ist also außerhalb des Atomkerns nicht mehr wirksam.

Um Atome zu größeren Einheiten zusammenzuschweißen, wird dieses eiserne Band zwischen den Nukleonen durch Beschuss mit anderen Atomen überwunden. Die eingesetzte Energie muss wohl dosiert sein. Es ist so, als ob man eine schwere Eisenkugel einen nebelverhangenen Hügel mit Schwung so gefühlvoll hinaufrollt, dass sie direkt auf der schmalen Spitze liegen bleibt.

Auch dann ist es ein schwieriges Unterfangen. Bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt (GSI) wurden beispielsweise drei Wochen lang Bleifolien mit mehreren Millionen Zinkionen pro Sekunde beschossen, um am Ende zwei Mal das Element 112 nachweisen zu können. Neue Elemente sind ganz seltene Ereignisse, was deren chemische Erforschung umso schwieriger macht.

Die Kerne verändern das Verhalten

Glück gehört auch dazu, denn die Verhältnisse im Atomkern kennt man bis heute nicht genau. Nach dem Schalenmodell der deutschen Physiknobelpreisträger von 1963, Maria Goeppert-Mayer und Johannes Jensen, besteht im Atomkern eine hierarchische Ordnung ähnlich den Schalen der Energieniveaus der Elektronen. Danach sind Kerne mit 2, 8, 20, 28, 50, 82 und 126 Protonen oder Neutronen besonders stabil. Auf dieses Kernmodell, das in der Folge erweitert worden ist, gründet sich die Suche nach der Insel der Stabilität jenseits des Urans (s. u.).

Transurane (Tab. 1) und insbesondere Transactinide (Tab. 2) sind ein spannendes Forschungsfeld der Kernchemie. Beginnend mit Rutherfordium (Rf) sind die Elemente Übergangsmetalle, deren äußerste 6d-Elektronenschale aufgefüllt wird. Rf hieß deshalb ursprünglich Eka-Hafnium, da es unterhalb des Hafniums in der Gruppe IVb steht, Dubnium nannte man Eka-Tantal und so fort (Tab. 2).

Der stark positiv geladene Kern der Transactinide beschleunigt die umgebenden Elektronen stärker als gewöhnlich. So soll das 1s-Elektron von Rf 76% der Lichtgeschwindigkeit besitzen, das von dem noch nicht nachgewiesenen Ununoctium (Z = 118) sogar 86%.

Dieser Effekt steigt proportional zum Quadrat der Kernladungszahl an und bewirkt eine relativistische Massenzunahme der Elektronen. Das wiederum beeinflusst die räumliche Struktur der Orbitale und der Energieniveaus und verändert damit die Valenzelektronenkonfiguration.

Es ist deshalb sehr interessant, zu erfahren, ab welcher Kernladungszahl die relativistischen Effekte das chemische Verhalten der Atome ändern. Es stellt sich auch die Frage, ob das Periodensystem im Bereich der Transactinide ganz anderen Kriterien unterliegt. Schließlich treten bereits in der "normalen" Chemie deutliche relativistische Effekte auf. Gold würde ohne diesen Kerneinfluss weiß wie Silber leuchten, und Quecksilber wäre nicht flüssig.

Am Anfang stand ein Versehen

1934 wirbelte die Chemikerin Ida Noddack-Tacke in der "Zeitschrift für angewandte Chemie" mit ihrer Vermutung, Urankerne könnten bei Neutronenbeschuss in größere Bruchstücke zerfallen, zwar viel Staub auf, wurde aber zunächst nicht ernst genommen. 1938 gelang dann Otto Hahn, Fritz Straßmann und Lise Meitner bei der Suche nach Transuranen versehentlich die erste Kernspaltung.

Die Produktionsraten bei der Darstellung der Transurane sind extrem niedrig, was bis heute eine außerordentliche experimentelle Herausforderung darstellt. Bis einschließlich des Fermiums (Z = 100) entstehen Transurane durch Fusion eines superschweren Elements mit leichten Ionen (heiße Fusion). So beschießt man Curium-248, das eine Halbwertszeit von 339 700 Jahren aufweist, mit Heliumionen. Am Hochflussreaktor in Oak Ridge in den USA werden jährlich 150 mg Curium speziell für die Grundlagenforschung in aller Welt hergestellt.

Zur Herstellung von Transfermium-Elementen werden mittelschwere mit leichten Elementen bombardiert (kalte Fusion). Transactinide (ab Z = 104) lassen sich nur mit großen Teilchenbeschleunigern erzeugen.

Elemente ab der Ordnungszahl 108 (Hassium) lassen sich nicht mehr direkt nachweisen, da ihre Halbwertszeit weit unter 1 Sekunde liegt. Sie werden indirekt über ihre Zerfallsreihen detektiert.

Die Suche nach der Insel

Anfang der Achtzigerjahre setzte sich die GSI an die Weltspitze der Transuranforscher. Nacheinander wurden dort die Elemente 107 bis 112 erzeugt. Der Erfolg beruhte unter anderem auf dem Prinzip der kalten Fusion, die aber bei Z = 112 eine vorläufige Grenze erreicht hat.

Die heiße Fusion hatte bei Ordnungszahlen oberhalb von 106 versagt, da die extrem energiereichen Kerne wieder zerplatzten, bevor sie sich stabilisierten. Russische Forscher haben sie aber nun doch erfolgreich angewandt: Durch den Beschuss von Plutonium-244 mit Calcium-48 gelang ihnen die Herstellung zweier Isotope des Elements 114 mit Halbwertszeiten von einer halben Minute. Die lang ersehnte "Insel der Stabilität", das Isotop Ununquadium-298 mit 184 Neutronen, haben sie damit noch nicht erreicht. Ihre Isotope hatten "nur" 173 und 175 Neutronen.

Die bisher von der GSI nachgewiesenen Transactinide sind – mit einer Ausnahme – Alphastrahler: Sie zerfallen unter Aussendung schneller Heliumkerne und können dennoch nur über den Alphazerfall einen stabilen Zustand finden. Das zugrunde liegende Phänomen der Schalenstabilisierung ist noch nicht ganz verstanden. Die an der GSI synthetisierten Kerne könnten deformierte (unrunde), schalenstabilisierte Isotope sein.

Um die Neutronenzahl 170 herum ändert sich die Deformation. Die Kerne sollten dann kugelförmige Gestalt annehmen. Demnach gibt es bei jedem überschweren Element leichtere Isotope, die deformiert sind, und schwerere, die sphärisch sind. Letztere sollten längere Halbwertszeiten haben, sie konnten aber bisher nicht synthetisiert werden (außer Uuq).

Transurane im täglichen Leben

Transurane haben es schon bis in das tägliche Leben geschafft. Das bekannteste ist das Plutonium. Das Isotop Pu-239 dient als Spaltmaterial für Kernkraftwerke und als Explosivstoff für Atombomben. Pu-238 wird als Energiequelle im Weltraum verwendet. 1 Gramm davon liefert über den Alphazerfall ca. 0,4 Watt Wärmeenergie, die auf Weltraumexpeditionen zur Stromerzeugung genutzt wird (Wirkungsgrad von 3 – 5%).

Americium-241 ist ein Alphastrahler mit einem starken Anteil an Gammastrahlung. Wegen seiner langen Halbwertszeit von 432 Jahren nutzt man es zur Kontrolle und zur Dickenmessung von Objekten in der Industrie. Es dient auch zur Detektion von Rauch und zur Diagnose von Schilddrüsenerkrankungen. Gemischt mit Beryllium liefert Am-241 einen Neutronenfluss von 1 Million Teilchen je Gramm und Sekunde. Damit wird weltweit an den Ölquellen die geförderte Ölmenge gemessen.

Auch das Isotop Californium-252 ist eine starke Neutronenquelle. Durch den Fluss von mehr als zwei Billionen Neutronen je Sekunde und Gramm ist es vielseitig einsetzbar. Cf-252 wird beispielsweise für die Neutronenaktivierungsanalyse und die Neutronenradiographie verwendet.

An Flughäfen dient es dem Aufspüren stickstoffhaltigen (das heißt explosiven) Materials. Es werden auch Tumoren damit bestrahlt. Die zweifellos wichtigste Anwendung der Cf-252-Neutronenquelle ist die Kalibrierung der Messinstrumente von Kernreaktoren vor dem ersten Hochfahren.

Die nachgewiesenen Isotope des Ununquadiums sind ein erster Brückenkopf auf der Insel der Stabilität. Es wurden drei Atome erzeugt. Nach einer überraschend langen halben Minute zerfielen sie in Ununbium, Darmstadtium und Hassium. Die Verblüffung scheint anzudauern, denn das Element ist noch immer nicht getauft, sondern muss sich mit dem Stellvertreternamen Unum-Unum-Quadrum für 114-ium begnügen.

Wo es im Periodensystem stehen wird und welche chemischen Charaktereigenschaften es in der Zukunft offenbart, ist noch nicht gewiss. Es teilt dieses Schicksal mit Unununium und Ununbium sowie mit Ununennium, dessen Geburt unmittelbar bevorstehen soll.

Mit Rhilium zum Jupiter Künstliche Elemente sind seit jeher Objekt von Science-Fiction-Geschichten. Schon 1934 wurde das fiktive Element Rhilium postuliert, das 50% der Energie, die auf es einfällt, in die vierte Dimension wieder abstrahlt.

Periodensystem

Mendelejew und Meyer stellten unabhängig voneinander 1869 fest, dass die Eigenschaften der Elemente in periodischer Weise regelmäßig wechseln, wenn man sie nach zunehmender Atommasse ordnet. Durch das Untereinanderstellen von Elementen ähnlicher chemischer Eigenschaften erhielten sie das Periodensystem. Es war beiden jedoch nicht möglich, den Aufbau zu erklären.

Transactinide Actinide sind die Elemente von Thorium (90) bis Lawrencium (103). Mit Lawrencium ist die 5f-Elektronenschale aufgefüllt. Angefangen mit Rutherfordium (104) wird die 6d-Schale aufgefüllt. Hier beginnt die Reihe der Transactinide, die bis Element 121 reicht. Ihre sehr stark positiv geladenen Kerne führen zu einer relativistischen Massenzunahme der s-Elektronen.

Den Transactiniden schließen sich die hypothetischen Supertransactinide an (Tab. 3). Nach den heutigen Theorien liegt die Grenze der möglichen Kernladungszahlen irgendwo zwischen 170 und 210.

Unnatürliche natürliche Elemente

Auch die "natürlichen" Elemente Technetium, Promethium, Astatin und Francium lassen sich im Grunde nur künstlich erzeugt darstellen. Sie sind viel zu selten, um sie irgendwo in der Erdkruste zu finden. Es sind radioaktive Spaltprodukte von Thorium oder Uran.

So gibt es auch von dem von Mendelejew als Eka-Mangan postulierten Technetium keine stabilen Isotope. 1925 glaubte das Ehepaar Ida Noddack-Tacke und Walter Noddack das Element bei röntgenspektroskopischen Untersuchungen gefunden zu haben und nannte es Masurium. Es gelang ihm jedoch nicht, sein Ergebnis zu wiederholen.

Protonenradioaktivität {te}An der GSI in Darmstadt entdeckte man ganz nebenbei die Protonenradioaktivität. Extrem neutronenarme Kerne zerfallen unter Abstrahlung von Protonen.

Transurane im Netz

IUPAC; Internationale Vereinigung für reine und angewandte Chemie; zuständig für die Benennung neuer Elemente www.iupac.org/dhtml_home.html

Die Erweiterung der Periodentafel www.apsidium.com/forum/welcome.htm

CALLISTO; Projekt zur Erforschung der Chemie des Elementes Hassium www.callisto.ws/right_index.html

Plutonium-Batterien www.kernenergie-wissen.de/Info-Pool/Pu-Batterien/pu-batterien.html

Literaturtipp

Die Chemischen Elemente Ein Streifzug durch das Periodensystem

Lucien F. Trueb

Dieses Buch hat 434 Seiten, 28 vierfarbige und 104 Schwarzweiß-Abbildungen. Es kostet gebunden 65,40 Euro. ISBN 3-7776-0674-X

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