Die seltsamen Wege, wie außergewöhnliche Wissenschaftler synthetische Elemente hergestellt haben

Das Periodensystem feiert dieses Jahr sein 150-jähriges Bestehen und enthält derzeit 118 chemische Elemente. Es gibt jedoch keine natürlich vorkommenden Elemente jenseits von Uran (Element 92). Stattdessen wurden diese synthetischen Elemente (auch als Transuranelemente bekannt) zuerst in Laboratorien entdeckt.

Hier sind fünf der seltsamsten Möglichkeiten, wie wir unser Wissen über das chemische Universum erweitert haben.

Das berühmteste synthetische Element wurde auf einem stinkenden Dachboden gefunden. 1940 schufen Edwin McMillan und Philip Abelson, zwei Wissenschaftler, die mit einem Teilchenbeschleuniger an der University of California in Berkeley arbeiteten, ein neues Element, indem sie eine Uranprobe mit subatomaren Teilchen, den Neutronen, bombardierten. Normalerweise führte dies dazu, dass das Uranatom explodierte, aber gelegentlich drang ein Neutron in das Herz des Atoms – den Kern – ein und verwandelte sich in ein Proton. Da die Anzahl der Protonen bestimmt das Element, das Sie haben, durch Zugabe eines McMillan und Abelson entdeckt Element 93.

Der zweite Weltkrieg bedeutete, dass das Duo seine Entdeckung geheim halten musste. McMillan erklärte seine Forschung jedoch einem Freund, Glenn Seaborg, der überzeugt war, dass er das nächste Element nacheinander erstellen konnte. Anfang 1941 gelang es Seaborgs Team, in einem kleinen Labor auf dem Dach der Chemieabteilung zu arbeiten. Uran wurde nach dem Planeten Uranus benannt, daher beschlossen McMillan und Seaborg, ihre Elemente auch nach Planeten im Sonnensystem zu benennen: Neptunium und Plutonium.Der Durchbruch brachte McMillan und Seaborg den Nobelpreis ein, und Plutonium wurde verwendet, um die erste Atombombe der Welt herzustellen. Seaborg erinnerte sich jedoch immer an den Gestank aller Chemikalien in seinem winzigen Arbeitsbereich – weshalb Plutoniums Symbol Pu (pee-eew) ist.

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In den 1950er Jahren hatte Seaborgs Team weitere vier Elemente entdeckt: Americium, Curium, Berkelium und Californium. Leider wurde die Herstellung jedes neuen Elements immer schwieriger und erforderte eine größere Konzentration von Neutronen. Tatsächlich befand sich der einzige Ort auf der Erde, an dem genügend Neutronen herumflogen, im Herzen einer thermonuklearen Explosion. Das ist, wo das Team beschlossen, zu suchen.Am 1. November 1952 zündeten die USA die weltweit erste Wasserstoffbombe auf dem Enewetak-Atoll im Pazifischen Ozean und verursachten eine Explosion, die 10,4 Megatonnen TNT entsprach. Neugierig, was drin sein könnte, befahl die US-Luftwaffe den Kampfpiloten, mit Filtern an den Flügeln ihrer Flugzeuge in die Pilzwolke zu fliegen, in der Hoffnung, nukleare Trümmer zum Testen aufzusammeln. Es war eine gefährliche Aufgabe und ein Pilot, Jimmy Robinson, starb während der Mission, als ihm der Treibstoff ausging.

Nachdem die Filter in die USA verschifft worden waren, hat Seaborgs das Team konnte zwei neue Elemente isolieren. Sie beschlossen, sie Einsteinium und Fermium nach Albert Einstein und Enrico Fermi, zwei der größten Physiker des 20.

1955 entschied das Berkeley-Team, dass sie genug Einsteinium (Element 99) hatten, um es direkt mit radioaktiven Alphateilchen (die zwei Protonen haben) in ihrem Beschleuniger abzuschießen. Dies würde das unentdeckte Element 101 bilden. Das einzige Problem war, dass das neue Element so instabil sein würde, dass es in wenigen Minuten zerfallen würde – und ihr Teilchenbeschleuniger befand sich am Fuße eines steilen Hügels, während sich ihr Chemielabor oben befand. Es gab keine einfache Möglichkeit, die Proben rechtzeitig ins Labor zu bringen, um zu beweisen, dass ein neues Element hergestellt wurde.Einer aus dem Berkeley-Team, Albert Ghiorso, war bekannt für seine ungewöhnliche Art, Herausforderungen zu lösen. Seine Antwort war, die radioaktive Substanz so schnell wie möglich aus dem Beschleuniger zu holen, sie in eine Säureflasche zu werfen, dann zu einem aufgeladenen Volkswagen Käfer zu rennen und mit halsbrecherischer Geschwindigkeit den Hügel hinauf zu fahren. In der Chemieabteilung hatte Ghiorso den Feueralarm des Gebäudes so verdrahtet, dass er ausgelöst wurde, wenn seine Probe Strahlung emittierte, um zu beweisen, dass er Element 101 erzeugt hatte.

Ghiorsos Mitternachtsläufe im Käfer wurden auf dem Campus berüchtigt, aber eines Nachts ging der Feueralarm mehrmals los: Das Team hatte das Element Mendelevium geschaffen. Trotz seines Sieges geriet Ghiorso am nächsten Tag in Schwierigkeiten mit dem Labordirektor. In seiner Aufregung hatte er vergessen, den Feueralarm auszuhängen, und er war wieder losgegangen, was zu einer Massenevakuierung führte.

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Nicht alle Elemente wurden in den USA geschaffen. Im 21.Jahrhundert war es sowohl den Russen als auch den Deutschen gelungen, das Periodensystem auf 112 Elemente zu erweitern. Ein anderes Team, angeführt von Kōsuke Morita bei RIKEN in Japan, wollte sich engagieren. Morita kopierte eine Technik, die von seinen Rivalen entwickelt wurde, und feuerte Zinkionen (Element 30) in ein rotierendes Wismutrad (Element 83), um Element 113 herzustellen.

Zunächst war das japanische Team erfolgreich und schuf 2004 und 2005 zwei Atome des Elements. Die internationale Gemeinschaft war jedoch nicht überzeugt und wollte, dass die Japaner ein weiteres Atom produzieren. Hier ging Moritas Glück aus – egal wie sehr er sein Experiment durchführte, er konnte das endgültige Atom nicht erzeugen.

Das japanische Team war kurz davor aufzugeben, aber 2011 ließ die Atomkatastrophe von Fukushima die Strompreise im ganzen Land in die Höhe schnellen. Morita wurde befohlen, alle Experimente außer einem zu beenden, und beschloss, seine Jagd nach Element 113 am Leben zu erhalten. Es war eine gute Wahl: Nach einer Wartezeit von mehr als sieben Jahren und dem Äquivalent von 553 ununterbrochenen Tagen mit ihrem Beschleuniger produzierte das japanische Team ein drittes Atom. Das Team beschloss, das Element Nihonium nach Nihon, dem japanischen Wort für ihre Heimat, zu benennen.

Heute befindet sich das führende Team für die Elemententdeckung in Dubna, Russland, unter der Leitung des Physikers Yuri Oganessian. Seit 1989 arbeitet die Gruppe mit dem Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien, USA, zusammen, um Five Elements zu entwickeln. Dazu gehört das bisher schwerste entdeckte Element 118, das zu Ehren des Teamleiters Oganesson genannt wurde. Aber es war Element 117, das die meisten Probleme verursachte.

Oganessians Team machte seine Entdeckungen, indem es eine neutronenreiche Form von calcium (Element 20) in eine Auswahl verschiedener radioaktiver Ziele. Um Element 117 herzustellen, benötigte das Team leider ein Ziel aus Berkelium (Element 97), ein Element, das nur von zwei Kernreaktoren der Welt erzeugt werden kann. Schlimmer noch, Berkelium hat keine bekannte Verwendung, also machte es niemand – es gab einfach kein Berkelium auf der Erde, das Oganessianer kaufen konnten.

Im Jahr 2008 erfuhr Oganessian, dass einer der Reaktoren im Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA, Californium herstellte: ein Prozess, der auch ein wenig Berkelium als Abfallprodukt erzeugen würde. Das Oak Ridge-Team (einschließlich Clarice Phelps, der ersten schwarzen Amerikanerin, die ein Element entdeckte) stimmte zu, das Berkelium zu isolieren und zu reinigen und es mit einer kommerziellen Fluggesellschaft nach Russland zu schicken, bevor es zerfiel. Die Dinge liefen nicht reibungslos. Der Papierkram des Teams war nicht in Ordnung und die Probe wurde zweimal vom Zoll abgelehnt – was bedeutet, dass sie fünfmal über den Atlantik fliegen musste, bevor Oganessian sie ergattern konnte.Die Russen hatten immer noch gerade genug Berkelium, um ihr Experiment durchzuführen und Element 117 zu erzeugen. Um dies zu feiern, beschloss das Team, es Tennessine zu nennen, zu Ehren des Beitrags des Staates zum Periodensystem.