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Schwere Elemente : Mehr Ordnung im Periodensystem

Experimentaufbau am JAEA in Tokai: Hier werden den produzierten Atomen die Elektronen entrissen, um die Ionisationsenergie der schweren Elemente zu bestimmen. Bild: JAEA

Obwohl es schon 150 Jahre besteht, wirft das Ordnungssystem der chemischen Elemente immer noch Fragen auf. Eine ist nun beantwortet worden.

          Gleich vier künstlichen Elementen – Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium – hat eine internationale Forschergruppe  eine bisher unbekannte physikalische Eigenschaft entlocken können, die entscheidend ist für das chemische Verhalten dieser schweren Actinoide. Tetsuya Sato von der  japanischen Atomenenergie-Behörde in Tokai und seinen Kollegen ist es mit einem empfindlichen Verfahren gelungen, die Höhe des Ionisationspotentials für jedes der Elemente mit den Ordnungszahlen 100 bis 103 zu messen. Die Daten zeigen, dass die Gruppe der  Actinoide mit dem Element 103 (Lawrencium) abgeschlossen ist.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Für Physiker und Chemiker ist die Ionisationsenergie eines Elements gleichermaßen eine wichtige Größe. Ihr Wert gibt an, wie viel Energie erforderlich ist, um ein Elektron aus der äußersten Schale eines Atoms zu entfernen. Daraus können die Wissenschaftler schließen, wie die Elektronenhülle eines Atoms aufgebaut ist, an welchen chemischen Reaktionen es teilnimmt und wie stabil die dabei entstehenden Reaktionsprodukte sind.

          Experimente mit einzelnen Atomen 

          Wie die Forscher um Sato im „Journal of the American Chemical Society“  berichten, entsprechen die gemessenen Ionisationsenergien den Vorhersagen relativistischer Berechnungen. Danach steigt die Ionisierungsenergie vom Fermium (6,52 eV) bis zum Nobelium (6,62 eV) an, um beim Lawrencium (4,96 eV) deutlich abzufallen.

          Der Verlauf der Werte zeige nach Ansicht von Düllmann und seinen Kollegen  klar, dass beim Element mit der Ordnungszahl 102 (Nobelium) die 5f-Schale in der Elektronenhülle vollständig gefüllt und damit abgeschlossen ist. Lawrencium habe dagegen nur ein einziges Elektron in der äußeren 6d-Schale. Die Ionisationsenergie ist entsprechend niedriger als bei den vorhergehenden Actinoiden. Das deute darauf hin, dass mit dem Element 103 (Lawrencium) die Gruppe der Actinoide zu Ende ist.

          Weil die vier schweren Elemente, die auf der Erde nicht natürlich vorkommen, äußerst instabil sind und zum Teil innerhalb von Sekunden radioaktiv zerfallen, waren die Experimente, an denen auch deutsche Forscher aus Darmstadt, Jena und Mainz beteiligt waren, äußerst aufwendig und langwierig. Die Elemente mussten zunächst in einem Teilchenbeschleuniger in Tokai über Kernverschmelzungs-Reaktionen künstlich hergestellt werden. Dabei konnten pro Sekunde nur wenige Atome der betreffenden Elemente produziert werden. Den  Atomen wurde jeweils das äußere Elektron an einer speziellen heißen Oberfläche aus Tantal entrissen. Die Ionisierungsenergien ließen sich schließlich aus dem Verhältnis der nachgewiesenen ionisierten Atome und der produzierten neutralen Atome eines Elements ableiten.

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