Chemie schwerster Elemente

Eines des faszinierendsten Gebiete der kernchemischen Grundlagenforschung betrifft die in Schwerionenreaktionen erzeugten, künstlichen Elemente jenseits der Actinidenserie, die Transactiniden.

Beginnend mit den Elementen 104, 105, 106 bis zum Element 112 bilden diese diejenigen Übergangsmetalle, in denen die 6d-Elektronenschale aufgefüllt wird. Somit sind diese Elemente schwere Homologe der Elemente Hafnium, Tantal, Wolfram bis Quecksilber. Die Elemente 107-112 sind mit physikalischen Methoden am Schwerionenbeschleuniger UNILAC der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt erstmals synthetisiert worden. Neueste Nachrichten aus Dubna, Russland, berichten über den Nachweis dreier Isotope des Element 114 (Eka-Blei).

Die Zerfallsdaten (a-Zerfallsenergien und -Halbwertszeiten) stimmen gut mit theoretischen Vorhersagen überein, die für die Neutronenzahl N=162 und die Kernladungszahl Z=108 aufgrund von Schalenabschlüssen eine Insel besonders stabilisierter, deformierter Kerne voraussagt, sowie für Z=114 und N³ 184 eine Insel schalenstabilisierter sphärischer Kerne, die Insel der Superschweren Elemente. Mit Z=118 ist eine Kernladungszahl erreicht, die um 26 Z-Einheiten größer ist als Z=92, die Kernladungszahl des letzten in der Natur vorkommenden Elements, Uran.


Die Insel deformierter superschwerer Kerne um Z=108 und N=162 und sphärischer superschwerer Kerne um Z=114 und N³ 184. Die schwarzen Quadrate lokalisieren Z und N der bisher synthetisierten schwersten Isotope der Elemente 105 bis 116. Die Höhenlinien sind Linien gleicher Kernstabilität, die eingefügten Zahlen -2 bis -7 sind ein Maß für die Kernstabilität (in MeV), die bei -7 MeV am größten ist.

Kernchemiker interessieren sich nicht nur die nuklearen Eigenschaften dieser Elemente, sondern auch für ihre chemischen Eigenschaften. Es ist eine große Herausforderung, die vielen weißen Flecke am oberen Ende der Landkarte der Chemiker, dem Periodischen System der Elemente, mit Inhalt zu belegen. Im Arbeitskreis J.V. Kratz werden seit 1986 in Zusammenarbeit mit Kernchemikern von der GSI die chemischen Eigenschaften der schwersten Elemente Schritt für Schritt untersucht. Beginnend mit dem schwersten Actiniden Mendelevium und Lawrencium, haben wir grundlegende und detaillierte chemische Eigenschaften der Elemente 104 (Rutherfordium, Rf), 105 (Dubnium, Db) und 106 (Seaborgium, Sg) bestimmt.

Da die Produktionsraten so klein sind, dass nur einzelne Atome hergestellt werden können, die jeweils schon wieder radioaktiv zerfallen sind, bevor ein nächstes synthetisiert ist, muss Chemie mit einzelnen Atomen betrieben werden, die zudem nur Lebensdauern von der Größenordnung 10 s aufweisen. Aus diesem Grunde werden automatische Chromatographie-Apparaturen konstruiert und eingesetzt, die über mehrere Tage kontinuierlich oder im 45 s-Takt diskontinuierlich Retentionszeiten der Transactiniden auf chromatographischen Säulen messen (Die schnelle Chemieapparatur ARCA oder das Zentrifugensystem SISAK). Diese werden mit denen der leichten Homologen im Periodensystem unter identischen Bedingungen verglichen. Dieser Vergleich blieb nicht ohne Überraschungen. Sequenzen wie Zr>Rf>Hf oder Nb>Db>Ta oder Mo, W>Sg signalisieren eine Umkehr in den Trends der chemischen Eigenschaften, wenn man von den Elementen der 6. Periode zu denen der 7. Periode fortschreitet. "Lineare" Extrapolationen der chemischen Eigenschaften innerhalb der Elementgruppe hätten ganz andere Eigenschaften erwarten lassen.

Relativistische, quantenmechanische Rechnungen, die diese aufwendigen Experimente begleiten, sind aber in der Lage, diese Trendumkehr richtig wiederzugeben: Nur die relativistischen Rechnungen reproduzieren die experimentelle Beobachtung. Wir studieren "Relativität im Reagenzglas". Diese Arbeiten sollen sukzessive zu den nächstschwereren Elementen ausgedehnt werden und schließlich auch zu den sphärischen superschweren Elementen.


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