Wie die grössten Atome einzeln entdeckt und studiert werden
In Teilchenbeschleunigern werden noch nie gesehene chemische Elemente produziert. Bei den Experimenten, die etwa eine Sekunde dauern, geht es auch um internationalen Ruhm.
In Darmstadt wird ein neuer Teilchenbeschleuniger gebaut. In ihm sollen ab 2032 weitere schwere Elemente gesucht werden – und hoffentlich auch gefunden werden. Foto: Maximilian Mann / Laif / Keystone
Er sucht die mysteriösesten, schwersten und fragilsten Atome, die es gibt – ganz am Ende des Periodensystems der Elemente. Mit der Nummer 118 steht dort derzeit Oganesson, wie Patrick Steinegger erklärt. «Es ist das seltenste Element auf der Erde», so der Chemiker am Paul- Scherrer-Institut (PSI) und an der ETH Zürich. Seit der Entdeckung vor 20 Jahren seien gerade einmal vier entsprechende Atome nachgewiesen worden. «Über dessen chemische Eigenschaften wissen wir eigentlich nichts.»
Viele der Atome mit den höchsten Ordnungszahlen im Periodensystem – also mit vielen Protonen im Kern – verschwinden nach der Herstellung, ehe man sie untersuchen kann. Genau das wollen Forschende wie Steinegger ändern. Denn sie möchten erkunden, wie sich die kurzlebigen Atome verhalten. Passt etwa Oganesson überhaupt an seinen Platz im Periodensystem? Und ist es wirklich ein Edelgas wie Helium oder Radon, wie einige annehmen? Steinegger arbeitet an der Grenze des Messbaren. «Die Untersuchung solcher superschwerer Elemente ist die weltweit sensitivste analytische Methode», betont er. Es ist sozusagen Chemie mit nur einem Atom.
Zuerst müssen die Chemiker so ein Atom überhaupt erzeugen. Alle superschweren Elemente entstehen künstlich in Beschleunigeranlagen. Dort werden etwa Calciumionen auf dünne Folien mit beispielsweise Plutonium geschossen. Doch sie fusionieren nur selten. Je schwerer das Element, desto unwahrscheinlicher seine Entstehung – und desto schneller zerfällt es. Etwa hundert Forschende weltweit arbeiten in der Disziplin. Sie konzentrieren sich derzeit auf die Elemente 105 bis 118.
Nach der Entstehung beginnt die Chemie
Steinegger beschäftigt sich aktuell vor allem mit 113 – Nihonium. «Für unsere Experimente sollten die Atome etwa eine Sekunde bestehen», erklärt er. Da sich am PSI keine superschweren Elemente erzeugen lassen, packt er seine Detektoren jeweils in Kisten und fährt zu den wenigen Einrichtungen weltweit, die solche Elemente herstellen. Früher jahrelang ins russische Dubna, wo Oganesson 2006 entdeckt wurde. Heute eher nach Berkeley in Kalifornien, nach Tokio oder nach Lanzhou in China. «Wir nehmen jede Schraube mit», sagt er. «Jedes Land hat eigene Normen dafür.»
Sobald ein superschweres Atom entstanden ist, beginnt die eigentliche Chemie: Zunächst muss es von Nebenprodukten getrennt werden, dann in einem Gas abgebremst und schliesslich an einer Oberfläche aus Siliziumdioxid oder Gold vorbeigeleitet werden. «Das ist Präzisionsarbeit», so Steinegger. Registriert wird dann der Zerfall der superschweren Elemente. Aus der Temperatur, bei der sie sich auf der Oberfläche abscheiden, lässt sich die Bindungsenergie berechnen. Aus dieser wiederum kann der Chemiker Rückschlüsse ziehen, ob er beispielsweise ein Edelgas oder doch eine Metallbindung nachgewiesen hat.
Zerfällt in weniger als einer Millisekunde
Allerdings zerfallen die drei schwersten bekannten Elemente bereits, bevor sie den Detektor eines Chemieexperiments erreichen. Oganesson etwa überlebt weniger als eine Millisekunde. Deshalb braucht es schnellere Ansätze. «Im Prinzip muss man für jedes Element ein eigenes Experiment bauen», erklärt Steinegger. Es sind viele Fragen offen. Oganesson sollte ein Edelgas sein. Theoretische Berechnungen deuten jedoch darauf hin, dass es wegen der hohen Kernladung deutlich reaktiver sein könnte als seine leichteren Verwandten. Möglicherweise ist es nicht einmal ein Gas.
Wie schwierig Vorhersagen sind, zeigt auch die berühmte «Insel der Stabilität». Seit Jahrzehnten möchten die Forschenden langlebige Elemente irgendwo zwischen 114 und 126 produzieren. «Wir sind an ihrem Ufer angekommen, wissen aber nicht, wie gross sie ist», sagt Christoph Düllmann vom Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Dieses will 2032 einen neuen Beschleuniger in Betrieb nehmen.
«Ein neues Element zu finden, verspricht auch Aufmerksamkeit.» Das wiederum fördere Konkurrenz. Ihn fasziniere die Arbeit, weil man am Rand des Machbaren arbeite. Gibt es denn ein absolutes Limit für die Schwere eines Atoms? Oft werde Element 173 genannt. Für künftige Generationen bleibt also noch genügend Arbeit, meint er lachend.
