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Außenstellen

Ordnung im Periodensystem – Die Messung der Ionisierungsenergien von schweren Elementen bestätigt Ende der Serie der Actinoide bei Lawrencium

Foto: JAEA

Experimentaufbau

Bild: With permission from  J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (44), pp 14609–14613, DOI: 10.1021/jacs.8b09068. Copyright 2019 American Chemical Society

Ionisationsenergien

 

08.02.2019

Eine internationale Gruppe von Forscherinnen und Forschern unter Beteiligung des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt sowie seiner beiden Außenstellen, den Helmholtz-Instituten Mainz und Jena, hat die ersten Ionisierungsenergien der künstlich erzeugten Elemente Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium bestimmt. Die Messdaten zeigen eindeutig, dass die Serie der Actinoide bei Lawrencium zu Ende ist. Die Ergebnisse sind im wissenschaftlichen Fachmagazin „Journal of the American Chemical Society (JACS)“ erschienen.

Die chemischen Elemente Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium tragen die Ordnungszahlen 100 bis 103 im Periodensystem der chemischen Elemente. Sie kommen auf der Erde nicht natürlich vor, sondern lassen sich nur künstlich erzeugen, beispielsweise in Kernverschmelzungsreaktionen an Teilchenbeschleunigern. Dabei können lediglich geringe Raten von höchstens einigen Atomen pro Sekunde produziert werden, die des Weiteren instabil sind und innerhalb von Sekunden bis Minuten wieder zerfallen. Eine Untersuchung ihrer chemischen Eigenschaften ist dementsprechend nur mit hohem experimentellen Aufwand an einzelnen Atomen möglich.

In den aktuellen Experimenten haben die Wissenschaftler die erste Ionisierungsenergie der Elemente untersucht. Diese Größe beschreibt die Energiemenge, die benötigt wird, um das am wenigsten stark gebundene Elektron aus der Außenschale eines neutralen Atoms zu entfernen. Dabei erwarteten die Forscher einen Anstieg der Ionisierungsenergie bis zum Nobelium, was dem Abschluss einer vollständig gefüllten Elektronenschale entspricht. Für das folgende Lawrencium, das wieder ein einzelnes, weniger stark gebundenes Elektron enthalten sollte, erwartete man hingegen eine geringere Ionisierungsenergie.

Entsprechende Werte für Nobelium und Lawrencium lagen bereits aus vorhergehenden Experimenten vor. Diese wurden nun durch Messungen der vier schwersten Elemente der Actinoiden ausgeweitet, so dass Messergebnisse aller 14 Elemente der Actinoidenserie vorliegen. „Die gemessenen Werte sind in Übereinstimmung mit Vorhersagen aktueller relativistischer Berechnungen, die parallel zum Experiment durchgeführt wurden, sowie mit den bei GSI von einer weiteren Arbeitsgruppe durchgeführten laserspektroskopischen Messungen an Nobelium“, erklärt Professor Christoph Düllmann, Leiter der Forschungsabteilung für die Chemie superschwerer Elemente bei GSI und am Helmholtz-Institut Mainz. „Mit dem Experiment konnten wir eindeutig zeigen, dass die Serie der Actinoiden mit dem Beginn einer neuen Elektronenschale beim Element Lawrencium abgeschlossen ist. Dieses Verhalten ist analog zu der Serie der leichteren Lanthanoide, die sich im Periodensystem über den Actinoiden befinden.“

Erzeugen und vermessen konnten die Forscher die künstlichen Elemente am Tandem-Beschleuniger und dem angeschlossenen Isotopenseparator der japanischen Forschungsorganisation JAEA in Tokai, Japan. Zur Bestimmung der ersten Ionisierungsenergien nutzen sie die sogenannte Oberflächenionisation. Ein Gasstrom in einem Teflonschlauch befördert dabei die Elemente in eine Tantal-Kammer mit bis zu 3000°C heißer Oberfläche, wo sie ionisiert werden können. Ein Vergleich der Anzahl eingeleiteter und ionisierter Atome liefert einen Wert für die Ionisierungseffizienz, aus dem sich wiederum das erste Ionisierungspotential des Elements bestimmen lässt.

Beteiligt an dem internationalen Experiment waren Forschungseinrichtungen aus Deutschland, den Niederlanden, Japan, Israel und der Schweiz. (cp)

Weitere Informationen:

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Experimentaufbau
Ionisationsenergien
Experimentaufbau am JAEA in Tokai, Japan: graues Tantal-Rohr in der Bildmitte, umgeben von zwei Heizfilamenten.
Ionisationsenergien von Lanthanoiden und Actinoiden. Deutlich erkennbar bei den Actinoiden ist der Anstieg der Energie bis zu Nobelium und danach der Abfall bei Lawrencium, analog zum Sprung bei den Lantanoiden.
Foto: JAEA
Bild: With permission from J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (44), pp 14609–14613, DOI: 10.1021/jacs.8b09068. Copyright 2019 American Chemical Society