Kurzlebig, doch ionisierbar

Mit einer neuartigen Kombination weiterentwickelter Techniken ist es einer internationalen Forscher­kollaboration gelungen, das erste Ionisations­potenzial von Lawrencium zu messen. Bei Lawrencium – Element 103 – handelt es sich um ein radioaktives Element, das nur künstlich hergestellt werden kann. Es ist das schwerste Element der Actinoiden, zu denen 15 Elemente mit ähnlichen Eigen­schaften gehören, darunter auch Uran und Plutonium. Unter der Leitung von Wissenschaftlern der Japan Atomic Energy Agency (JAEA) in Tokai hat das Forscherteam das erste Ionisations­potenzial von Lawrencium zu 4,96 Elektronen­volt bestimmt.

Das erste Ionisations­potenzial gibt an, welche Energie nötig ist, um das am schwächsten gebundene Elektron aus einem neutralen Atom zu entfernen. „Wir zeigen, dass die Energie zum Ablösen des äußersten Elektrons bei Lawrencium wie erwartet am geringsten von allen Actinoiden ist“, erklärt Christoph Düllmann von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Dies bestätigt nach Ansicht der Mainzer Forscher die Position von Lawrencium als letztes Mitglied in der Reihe der Actinoiden und untermauert die Architektur des Periodensystems der Elemente. Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), die über das Perioden­system wacht, will dieses Thema aber im Sommer noch einmal erörtern – denn einige Forscher möchten Lawrencium und Lutetium wegen ihrer niedrigen Ionisierungs­energie lieber unter dem d-Block des Perioden­systems einge­ordnet wissen.

Die chemischen Eigenschaften eines Elements hängen hauptsächlich von der Elektronen­konfiguration in der äußersten besetzten Schale ab. Effekte der Speziellen Relativitäts­theorie beeinflussen die Elektronen­struktur bei den Elementen am Ende des Perioden­systems sehr stark, was sich in vielen Fällen direkt auf die chemischen Eigen­schaften auswirkt. Das Studium dieses Einflusses ist ein Hauptziel chemischer und atom­physikalischer Experimente mit diesen Elementen.

Das Element mit Ordnungszahl 103, Lawrencium, hat seit der Einführung des Actinoiden­konzepts – die dramatischste Revision in der jüngeren Geschichte des Perioden­systems durch Glenn T. Seaborg in den 1940er-Jahren – eine äußerst wichtige Rolle als letztes Mitglied der Actinoiden gespielt. Diese spezielle Stellung hat das Element in den Fokus von Untersuchungen gerückt, um einerseits den Einfluss relativistischer Effekte zu bestimmen und andererseits die Eigenschaften zu ermitteln, die seine Stellung als tatsächlich letztes Element der Actinoiden bestätigen. Dabei wurde erwartet, dass Lawrencium, analog zu Lutetium als letztem Element der Lanthanoiden, ein sehr niedriges Ionisations­potenzial besitzt, das stark durch relativistische Effekte beeinflusst ist. Der Nachweis ist jedoch außerordentlich kompliziert.

Lawrencium kann man nur in Form einzelner Atome an Schwer­ionen­beschleunigern produzieren. Als Erschwernis für Experimente kommt hinzu, dass alle bekannten Isotope kurzlebig sind. Deshalb gibt es nur wenige experimentelle Studien und die Untersuchungen beschränken sich bislang auf einige ausgewählte chemische Eigenschaften. Für das jetzt am JAEA-Tandem­beschleuniger durchgeführte Experiment haben die beteiligten Kernchemiker eine neue Kombination weiter­entwickelter Methoden und Techniken ausgenutzt, die erstmals eine Messung des ersten Ionisations­potenzials von Lawrencium ermöglichte.

Hierzu hat das Institut für Kernchemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz exotisches Californium-Target­material (Element 98) aufgereinigt und bereitgestellt. Das Material wurde in Japan zu einem Target verarbeitet und dann mit einem Bor-Ionenstrahl (Element 5) bestrahlt. In Ergänzung zu dem Experiment wurden unter der Leitung einer Wissenschaftlerin des Helmholtz-Instituts Mainz (HIM) in Zusammenarbeit mit Partnern der Tel Aviv University, Israel, theoretische Rechnungen mit den aktuellsten quanten­chemischen Methoden zum Wert des Ionisations­potenzials durchgeführt. Die sehr gute Übereinstimmung zwischen dem berechneten und gemessenen Resultat bestätigt diese Berechnungen.

„Unsere experimentelle Technik eröffnet neue Perspektiven für ähnliche Untersuchungen noch exotischerer, superschwerer Elemente“, so die Erwartungen der Wissenschaftler. An der Untersuchung beteiligt waren die JAEA, das Institut für Kernchemie der JGU, das HIM, das GSI-Helmholtz­zentrum für Schwer­ionen­forschung in Darmstadt, CERN in Genf, Schweiz, die japanischen Universitäten Ibaraki, Niigata und Hiroshima, die Massey University in Auckland, Neuseeland, und die Tel Aviv University, Israel.

U. Mainz / DE