Welche Zahl auch immer die nächste magische sein wird – wir scheinen allmählich tatsächlich auf die Insel der Stabilität zuzusteuern. Die bisherigen Messdaten haben nämlich gezeigt, dass die Halbwertszeit superschwerer Elemente für eine gegebene Kernladungszahl mit der Anzahl an Neutronen zunimmt. Den Trend illustriert zum Beispiel Element 112 (Copernicium): Während das Isotop Copernicium-277 mit 165 Neutronen lediglich etwa 0,6 Millisekunden lang besteht, ist Copernicium-285, das acht Neutronen mehr enthält, rund 50 000-mal stabiler. Das Muster setzt sich höchstwahrscheinlich bis zum Zentrum der Insel der Stabilität fort.

Diese theoretische Möglichkeit hat eine Suche nach superschweren Elementen auch in der Natur ausgelöst. Obwohl wir sie bislang nicht gefunden haben, so das Argument, könnten sich Spuren davon direkt vor unserer Nase befinden. Sie haben sich vielleicht neben anderen Elementen, die schwerer als Eisen sind, bei Kollisionen zweier Neutronensterne gebildet und anschließend im Universum verteilt. In dem Fall könnten sie in der kosmischen Strahlung vorhanden sein, die aus den Tiefen des Alls zu uns gelangt, oder in Gesteinen auf der Erde überlebt haben.

Laden... © Jen Christiansen, nach: Christoph Düllmann / Scientific American März 2018 (Ausschnitt) Insel der Stabilität | Jedes Proton in einem Atomkern erhöht die positive Ladung, die andere Protonen abstößt. Daher steigt die Wahrscheinlichkeit, dass ein instabiler Kern zerfällt, mit zunehmender Protonenzahl. Einige noch unentdeckte Kerne könnten sich dem Trend widersetzen, weil sie ganz bestimmte Anzahlen von Protonen und Neutronen enthalten. Die Teilchen besetzen im Kern jeweils so genannte Schalen. Wenn diese vollständig gefüllt sind, heißt die entsprechende Anzahl an Protonen und Neutronen magisch, und der Kern ist sehr stabil. Für einige Zahlenkombinationen ist der Effekt der Theorie nach besonders ausgeprägt. Zum Beispiel wird erwartet, dass 114 Protonen und 184 Neutronen eine doppelt magische Zahlenkombination ist, auch wenn Forscher noch kein Atom mit dieser Kombination an Kernbausteinen erzeugt haben. Sollten sie es schaffen, könnte es auf der hypothetischen Insel der Stabilität mit langlebigen superschweren Elementen liegen.

Mit verschiedenen Methoden wollen Forscher die Atome aufspüren. So deuten Berechnungen darauf hin, dass Element 110 (Darmstadtium) recht stabil wäre und sich chemisch ähnlich wie Platin verhalten könnte, falls es die magische Anzahl von 184 Neutronen enthält. Mittels Röntgenfluoreszenz und Massenspektrometrie haben Experten nach Darmstadtium in Platinerzen gefahndet, waren bei der Suche aber nie erfolgreich. Die Resultate zeigen, dass die Häufigkeit unterhalb von einem Darmstadtiumatom pro einer Milliarde Teilchen liegen muss.

Von der erfolglosen Suche in der Natur zur künstlichen Produktion im Labor

Auch von der kosmischen Strahlung erhoffen sich Wissenschaftler schon länger Hinweise auf superschwere Elemente. Zum Beispiel befand sich an Bord der Long Duration Exposure Facility, eines NASA-Satelliten aus den 1980er Jahren, das Ultra Heavy Cosmic-Ray Experiment. Bis heute gibt es jedoch keine eindeutigen Belege. Die Bemühungen werden weitergehen – schließlich wäre eine Entdeckung außerordentlich bedeutsam. Nicht zuletzt könnten neue Elemente die Synthese von Materialien mit einzigartigen Eigenschaften erlauben.

Da in der Natur bislang keine superschweren Elemente gefunden wurden, müssen wir sie im Labor erschaffen. Dazu reichern wir die Atomkerne gewöhnlicher Elemente mit noch mehr Protonen an. Bis zu einem gewissen Punkt können wir so die energiereichen kosmischen Prozesse imitieren, bei denen schwere Elemente entstehen. Kerne, die zu viele Neutronen enthalten, neigen zum so genannten Betazerfall, bei dem ein Neutron zu einem Proton wird. So bildet sich ein Element mit einer um eine Einheit größeren Ordnungszahl. Durch den Beschuss schwerer Atome mit Neutronen können wir Elemente bis zur Ordnungszahl 100 (Fermium) erzeugen. Bei keinem Fermiumisotop oder den noch schwereren Elementen ist jedoch bisher ein solcher Betazerfall beobachtet worden.

Die Elemente zerfallen schnell, trotzdem verraten neue Messtechniken einiges über ihre chemischen Eigenschaften

Um Elemente mit Ordnungszahlen von 100 und höher herzustellen – wie etwa das eingangs vorgestellte Oganesson –, bringen Forscher zwei Kerne so nahe zusammen, dass sich die starke Wechselwirkung bemerkbar macht. Diese Kraft hat eine extrem kurze Reichweite; darum müssen sich die Kerne fast berühren, um sie zu spüren. Für einen solch geringen Abstand ist es nötig, die Abstoßungskraft der positiv geladenen Protonen zu überwinden. Dazu beschleunigen wir einen der Kerne auf zirka ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit und schießen ihn auf den anderen. Dieser Impuls reicht gerade eben aus, die Coloumb-Kraft zu überwinden und Oberflächenkontakt zwischen den beiden Kernen herzustellen. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Volltreffer ist allerdings extrem gering. Darüber hinaus fusionieren zwei Kerne umso schlechter, je mehr Protonen involviert sind. Und selbst wenn ein verschmolzener so genannter Verbundkern entsteht, zerfällt dieser oft umgehend wieder in leichtere Fragmente. Die geringe Chance, überhaupt einen Verbundkern zu erhalten, und das hohe Risiko für dessen Zerfall machen es äußerst schwierig, immer schwerere Elemente zu synthetisieren.

Trotzdem sind Forscher damit sehr erfolgreich gewesen: Die Elemente mit den Ordnungszahlen 113, 115, 117 und 118 wurden alle auf diese Weise erschaffen und von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) 2016 offiziell anerkannt. Element 113 bekam den Namen Nihonium. Nihon ist eine von zwei Arten, auf Japanisch »Japan« zu sagen – unter anderem dort wurden die Atome hergestellt. Auch Element 115, Moscovium, heißt nach dem Ort seiner Entdeckung, dem Vereinigten Institut für Kernforschung nahe Moskau. Nummer 117, Tenness, ehrt den US-Bundesstaat Tennessee – das dort beheimatete Oak Ridge National Laboratory steuerte Berkelium (Ordnungszahl 97) zur Synthese des Elements bei. Das 118 Protonen schwere Oganesson komplettiert die neuen Mitglieder des Periodensystems.

Nun fahnden Forscher unter Hochdruck nach Nummer 119, die dem Periodensystem eine neue Zeile hinzufügen würde. Obwohl mehrere Teams – inklusive unserer eigenen – an den weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern Wochen und Monate investiert haben, war die Kampagne bislang nicht erfolgreich. Ein Hindernis: Die Methode, die zu Oganesson und anderen superschweren Elementen führte, funktioniert nur bis zur Ordnungszahl 118. Leider gibt es keine ausreichenden Mengen an Kernen mit mehr als 98 Protonen, auf die man Kalziumionen (20 Protonen) schießen könnte. Wissenschaftler versuchen deshalb herauszufinden, welche Kombinationen verfügbarer und bekannter Elemente die besten Chancen bieten, noch unbekannte zu erzeugen.

Die neuen Elemente zerfallen blitzschnell, doch es gibt große Fortschritte bei den Messtechniken, die uns trotz der kurzen Lebensdauer einiges über ihre chemischen Eigenschaften verraten können. Das schwerste derart untersuchte Element ist Flerovium (Nummer 114). Im Periodensystem sitzt es direkt unter Blei, es sollte also ein Schwermetall sein. Aber laut theoretischen Erwägungen, die bis ins Jahr 1975 zurückreichen, verhält es sich möglicherweise eher wie ein Edelgas, das kaum mit anderen Stoffen reagiert.

Das Verhalten hängt letztlich von den vielen Protonen im Kern ab. Die extrem hohe positive Ladung der Atomkerne schwerer Elemente beschleunigt die negativ geladenen Elektronen in deren Hülle auf bis zu 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Das erzeugt ganz anders geformte und gelagerte Bahnen als bei den Elektronen leichterer Elemente. Bei Flerovium beispielsweise liegen die Energieniveaus der beiden äußeren Elektronenschalen deutlich weiter auseinander als in vergleichbaren, aber kleineren Atomen wie Blei. Wenn Blei eine chemische Bindung eingeht, liefert dieser Vorgang eher die nötige Elektronenenergie, um den Abstand zu überwinden, als es bei Flerovium der Fall wäre. Flerovium ist daher möglicherweise deutlich reaktionsträger als sein eine Periode höher stehendes Pendant. Darum könnte es eher einem Edelgas ähneln als einem typischen Metall wie Blei.

Das ist jedoch schwer genau vorherzusagen. Verschiedene Theorien sind sich einig darin, dass Flerovium relativ reaktionsträge sein sollte. Aber vermutlich ist es reaktiver als echte Edelgase und könnte etwa schwache metallische Bindungen mit Elementen wie Gold eingehen. Da es bisher nicht gelungen ist, Flerovium in größeren Mengen herzustellen, weiß niemand, wie es aussieht. Manche Vorhersagen gehen davon aus, dass es eine silbrig weiße oder blassgraue Farbe hat und bei Raumtemperatur fest ist.

Die möglichen Eigenschaften von Flerovium faszinieren die Forscher und haben sie zu verschiedensten Experimenten angespornt, obwohl sich nur wenige Atome des Elements pro Tag erzeugen lassen. Obendrein haben selbst die langlebigsten aktuell bekannten Fleroviumisotope nur eine Halbwertszeit von ein bis zwei Sekunden. Eine der besten Anlagen zur Synthese von Flerovium ist die TransActiniden-Separator und Chemie Apparatur (TASCA; Transactinide sind Elemente ab Ordnungszahl 104) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Dort beschießen wir eine rotierende Zielscheibe, die mit Plutonium-244 beschichtet ist, mit Kalzium-48. Wenn dabei Fleroviumatome entstehen, lenkt ein Magnet sie in ein Trägergas, das sie in ein spezielles Instrument spült. Dieses besteht aus zwei 32 Zentimeter langen, mit Siliziumdetektoren versehenen Halbschalen, die sich jeweils in einem Abstand von etwa einem halben Millimeter gegenüberstehen. So bildet die Anordnung der Detektoren einen engen Kanal. Ein schnell fließendes Trägergas zwängt das Flerovium hier hindurch. Die Detektoren sind mit einer dünnen Goldschicht überzogen, mit der wir die Wechselwirkung von Flerovium mit dem Metall untersuchen können. Beim Einlass in den Detektorkanal herrscht Raumtemperatur. Sollte Flerovium chemisch einem Metall ähneln, würde es sich in diesem Bereich beim Kontakt an die Goldoberfläche anheften und dort bis zu seinem Zerfall verweilen. Das Ende des Kanals kühlen wir mit flüssigem Stickstoff auf unter minus 160 Grad Celsius. Denn die für Edelgase typischen schwachen Bindungen halten Atome nur bei sehr niedrigen Temperaturen fest. Sollte sich Flerovium wie ein solches verhalten, würde es also erst im hinteren Teil des Kanals an der Oberfläche andocken – wenn überhaupt.

Mit Detektoren und Laserlicht auf der Spur der atomaren Struktur

Während eines Versuchs an der TASCA beobachtete unsere Forschungsgruppe zwei Atome, die im ungekühlten Bereich des Detektorkanals zerfielen. Flerovium schien also eine metallähnliche Bindung eingegangen zu sein. Ein zuvor in Russland durchgeführtes Experiment lieferte drei Fleroviumatome. Eines davon zerfiel ebenfalls bei Raumtemperatur, die anderen zwei detektierten die beteiligten Forscher vom schweizerischen Paul Scherrer Institut hingegen bei etwa minus 90 Grad Celsius. Das interpretierten die Forscher als edelgasähnliches Verhalten. Wir analysieren inzwischen neue Daten, die wir am Helmholzzentrum gewonnen haben, um die Eigenschaften dieses spannenden Elements zu klären.

Ein anderer Zugang zu den chemischen Eigenschaften ist es, die atomare Struktur zu untersuchen, indem man die Elektronenbahnen mit Hilfe von Lasern vermisst. Im September 2016 und im Juni 2018 publizierten wir mit unseren Teams die Ergebnisse der ersten Laserspektroskopie-Experimente mit dem superschweren Element Nobelium (Ordnungszahl 102). Zunächst stellten wir mehrere Nobeliumatome pro Sekunde her, indem wir Bleiatome (82 Protonen) mit Kalziumatomen (20 Protonen) bombardierten. Anschließend bremsten wir sie in Argongas ab und beschossen sie mit Laserpulsen. Hatten die Pulse die richtige Energie, konnte ein Elektron sie absorbieren und gewann dadurch genügend Energie, dass es dem Nobelium entfliehen konnte. Indem wir die Frequenz des Lasers variierten, ließ sich präzise die zur Entfernung des Elektrons nötige Energie messen. Diese so genannte Ionisierungsenergie ist eine der charakteristischen Eigenschaften chemischer Elemente. Sie bestimmt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Element mit anderen reagiert und eine Bindung eingeht. Wir haben diese Versuche zuerst mit Nobelium-254 durchgeführt und sie später auf die Isotope mit 252 und 253 Kernteilchen ausgedehnt, um zu verstehen, wie sich die Anzahl an Neutronen auf die energetische Lage des Elektronenniveaus auswirkt. Die Ergebnisse verraten etwas über die Gestalt der positiv geladenen Atomkerne der Isotope – je nach deren Größe und Form ändert sich das Verhalten der sie umkreisenden Elektronen. Obwohl sich das Elektronenniveau dadurch nur um zirka ein Millionstel ändert, lässt sich der Effekt bestimmen. Man beobachtet dabei den Zuwachs der Größe des Atomkerns durch das Hinzufügen von Neutronen. Außerdem bestätigen die Messungen, dass der Nobeliumatomkern in diesen Isotopen wie ein amerikanischer Football geformt ist. Die theoretischen Kernmodelle, die unsere Daten gut beschreiben, sagen sogar vorher, dass die schweren Atomkerne nicht homogene Körper sind, sondern durch eine deutlich reduzierte Protonendichte im Zentrum eine hohle Struktur entwickeln.

Laden... © Jen Christiansen, nach: Christoph Düllmann / Scientific American März 2018 (Ausschnitt) Rezept für superschwere Elemente | Um ein Element mit besonders vielen Kernbausteinen herzustellen, schießen Forscher einen Atomkern auf einen anderen, in der Hoffnung, dass beide miteinander verschmelzen. Dabei muss das Projektil mit etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit auf das Ziel zurasen, um die abstoßenden Kräfte der beiden positiv geladenen Kerne zu überwinden. Wenn sie sich fast schon berühren, setzt die anziehende Kraft der so genannten starken Wechselwirkung ein, die Protonen und Neutronen im Atomkern zusammenhält. Zum Beispiel entsteht durch das Verschmelzen von Kalzium und Berkelium das Element Tenness mit 117 Protonen und 177 Neutronen.

Wissenschaftler haben auch schon chemische Bindungen zwischen superschweren Elementen und leichteren Atomen geknüpft. Ein Beispiel ist die Synthese eines Moleküls mit Seaborgium (Element 106). 2013 hat eine Gruppe von Forschern um einen von uns (Düllmann) bei einem Versuch am japanischen RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science Seaborgiumisotope mit einer Halbwertszeit von rund zehn Sekunden erzeugt. Nach anschließender Zugabe von Kohlenmonoxid bildete das schwere Element eine Hexacarbonyl-Verbindung, in der sich sechs Moleküle Kohlenmonoxid um ein zentrales Seaborgiumatom lagerten.

Seaborgium verhielt sich ähnlich wie seine bekannteren Verwandten Wolfram und Molybdän, die gleich viele Valenzelektronen besitzen, also Elektronen in der äußersten Schale. Während des etwa zweiwöchigen Experiments ging Seaborgium mit Kohlenmonoxid dieselbe Hexacarbonyl-Verbindung ein wie Wolfram und Molybdän, und es zeigte obendrein eine ähnliche Wechselwirkung mit Siliziumoxid-Oberflächen. Eine der nächsten Fragen, die zu klären sind, lautet, welches der drei Elemente das stabilste Hexacarbonyl-Molekül bildet. Die ersten Berechnungen aus den späten 1990er Jahren deuteten auf Seaborgium hin, neuere sehen hingegen Wolfram vorne.

Dies sind nur einige Beispiele für die Art von Versuchen, die Wissenschaftler mit superschweren Elementen durchführen, und für die vielen offenen Fragen, die sie damit zu beantworten hoffen. Zwar sind die neuesten Mitglieder des Periodensystems zugegebenermaßen recht exotisch. Dennoch liefern Experimente immer mehr Informationen darüber, wie sie in das Schema passen, das vor 150 Jahren auf Grundlage alltäglicher Elemente erstellt wurde. Unabhängig davon, ob wir das Zentrum der Insel der Stabilität jemals erreichen und ob sich die dortigen Elemente tatsächlich als so langlebig herausstellen werden, erfahren wir bereits jetzt anhand superschwerer Elemente viel über die chemischen Grundbausteine der Natur.