Beyond Element 118: die nächste Zeile des Periodensystems

Vier neue Elemente wurden gerade zum Periodensystem hinzugefügt, um die siebte Zeile der Tabelle zu vervollständigen. Aber trotz der Elemente 113, 115 und 118, die alle in den frühen 2000er Jahren und 117 im Jahr 2010 entdeckt wurden, gibt es immer noch keine Anzeichen von Elementen 119 und darüber hinaus. Warum hat niemand behauptet, eines dieser neuen Superschwergewichte geschaffen zu haben, und wann können Chemiker eine achte Reihe im Periodensystem beginnen?

Seit Edwin McMillan und Philip Abelson 1940 das erste transurane Element Neptunium synthetisierten, hat ein stetiger Strom neuer Elemente die unteren Reihen des periodensystem. Jedes Mal, wenn eine Gruppe behauptet, ein neues Element synthetisiert zu haben, muss die Internationale Union für reine und angewandte Chemie (Iupac) die vorgelegten Beweise abwägen. Typischerweise kommt die Behauptung der ersten Synthese eines neuen superschweren Elements viele Jahre, bevor genügend Beweise gesammelt werden, um die Zustimmung der Iupac zu erhalten. Dies macht das Fehlen eines Anspruchs auf die Schaffung von Element 119 oder darüber hinaus überraschend. Aber während noch keine Gruppe behauptet hat, ein Element geschaffen zu haben, das in die achte Reihe des Periodensystems gehört, ist es nicht aus Mangel an Wissen.

Um ein neues Element zu erstellen, wird ein schweres Elementziel mit hochbeschleunigten leichteren Elementprojektilen bombardiert. Bereits 2007 versuchten Forscher des Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, Russland, und des Helmholtz-Zentrums für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt, Deutschland, durch Beschuss von Plutonium mit Eisen bzw. Uran mit Nickel Unbinilium bzw. Element 120 zu synthetisieren. Beide Teams beobachteten jedoch nur eine Auswahl leichterer Kerne und Partikel. Damit Wissenschaftler sicher sein können, dass sie wirklich ein neues Element hergestellt haben, müssen sie den charakteristischen Zerfallsketten des neuen Elements folgen, erklärt James Roberto, Associate Laboratory Director am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in den USA.

Targeting new technologies

Das Abfeuern von Calciumprojektilen auf ein sehr schweres Aktinidziel funktionierte gut für die Herstellung der Elemente 114 bis 118, aber für noch schwerere Elemente nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, auf diese Weise ein neues Element zu erzeugen. Eine scheinbar einfache Lösung wäre, einfach mehr und schwerere Projektile auf das Ziel abzufeuern.

Aktuelle Beschleuniger trafen das Ziel mit etwa 1012 Projektilen pro Sekunde. Aber ‚das Ziel mit einer noch höheren Anzahl von Projektilen zu treffen, würde das Ziel tatsächlich verbrennen‘, erklärt ORNL-Physiker Krzysztof Rykaczewski. Und du kannst deinen Detektor auch verbrennen. Wir brauchen bessere Technologien, um das zu vermeiden. Sie könnten das Ziel auch viel größer machen und den Projektilstrahl über seine größere Fläche verteilen,Fügt er hinzu – aber es ist nicht einfach, diese Aktinidziele herzustellen. Die Synthese der 20 mg Berkelium, die zur Herstellung von Element 117 verwendet wurden, dauerte mehr als zwei Jahre. Die superschwere Elementfabrik, die in Dubna gebaut wird, wird über verbesserte Detektionsfähigkeiten verfügen und in der Lage sein, Strahlen mit signifikant höheren Intensitäten zu erzeugen, aber ‚zusätzliche Durchbrüche werden benötigt, um über Element 120 hinauszugehen‘, sagt Roberto.

Die Forscher bleiben jedoch positiv. ‚Innerhalb einer Generation werden wir wahrscheinlich Element 124 erreichen‘, spekuliert Rykaczewski. Eric Scerri, Chemiehistoriker an der University of California, Los Angeles, USA, stimmt zu: ‘Vor fünfzehn Jahren war es unvorstellbar, dass irgendjemand jemals so weit kommen würde wie wir. Die Jagd nach neuen Elementen, fügt er hinzu, war und wird die Technologieentwicklung vorantreiben.

Eine Idee zur Überwindung der Einschränkungen der derzeitigen Synthesetechniken für schwere Elemente besteht darin, Kerntransferreaktionen zu induzieren. Wenn man Uran auf ein Uranziel feuert, werden die Kerne niemals verschmelzen, erklärt GSI-Forscher Christoph Düllmann. Aber die kollidierenden Kerne können Protonen und Neutronen austauschen, wenn sie kollidieren. ‚In einigen Fällen könnte das zu einem Produkt führen, das zum Beispiel 120 Protonen hat‘, sagt Düllmann. Dies könnte ein Weg sein, um auf Isotope zuzugreifen, die durch Fusionsreaktionen nicht erreichbar sind.‘

Pushing the boundaries

Die sehr begrenzten Lebensdauern der meisten superschweren Elemente verhindern ihren Einsatz in realen Anwendungen. Ihre Untersuchung testet jedoch das Verständnis der Wissenschaftler für den Atomkern. ‚Wenn Sie ein Auto testen möchten, das Sie kaufen möchten, sollten Sie nicht nur zwei Kurven auf dem Parkplatz fahren, sondern es unter harten Bedingungen testen‘, sagt Rykaczewski. In ähnlicher Weise hilft das Testen von Kernmodellen unter extremen Bedingungen den Forschern, diejenigen auszuwählen, die die besten Vorhersagen treffen.

Berechnungen sind unscharf darüber, wie viel größer das Periodensystem werden kann. Der Physiker Richard Feynman sagte Element 137 als Grenze voraus. ‚Die Berechnung basiert einfach auf Einsteins Relativitätstheorie‘, sagt Scerri. Wenn Atomkerne größer und größer werden, müssen die Elektronen schneller und schneller gehen. Sobald Sie eine bestimmte Größe erreicht haben, sagen Berechnungen voraus, dass die Elektronen schneller als die Lichtgeschwindigkeit gehen müssen – eine physikalische Unmöglichkeit. Andere Berechnungen sagen voraus, dass dies jedoch viel später um Element 170 geschehen wird.Während die vier jüngsten Ergänzungen des Periodensystems hochradioaktiv sind und in weniger als einer Minute zerfallen, erwarten Wissenschaftler eine Insel der Stabilität, die sich um die Elemente 120, 124 oder 126 dreht. Die magischen Protonen- und Neutronenzahlen dieser Elemente entsprechen gefüllten Kernschalen. So wie voll gefüllte Valenzelektronenhüllen Elemente wie die Edelgase chemisch inert machen, erhöhen gefüllte Neutronen- oder Protonenhüllen die Stabilität des Kerns.Die Forscher hoffen, dass die doppelt magischen Isotope von Unbinilium oder Unbihexium (Element 126), die sowohl eine magische Protonenzahl als auch eine magische Neutronenzahl enthalten, noch länger leben würden als ihre anderen Isotope – obwohl die Schätzungen der Halbwertszeit von einigen Mikrosekunden bis zu Millionen von Jahren stark variieren. Forscher haben bereits eine zunehmende Stabilität bekannter superschwerer Elemente in Isotopen mit Neutronenzahlen gesehen, die näher an der magischen 184 liegen. ‚Der heilige Gral bei der Synthese superschwerer Elemente ist es, diese Neutronenzahl zu erreichen‘, sagt Düllmann. Aber das Problem ist, dass wir derzeit nicht zwei Kerne haben, die uns ein superschweres Element geben, das auch so viele Neutronen hat.’