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Radiochemie: Schweren Atomen auf die Pelle gerückt

Erstmals ließ sich die Ionisierungsenergie des Elements Lawrencium bestimmen. Das trickreiche Experiment zeigt, wie präzise heutige theoretische Modelle das Verhalten exotischer Atome vorhersagen.
Periodensystem

Es ist äußerst schwierig, die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Elementen am Ende des Periodensystems zu vermessen. Atome, deren Ordnungszahl Z größer ist als 100, deren Kern also mindestens so viele positiv geladene Protonen enthält, zerfallen schnell wieder. Dennoch gelang es Wissenschaftlern um Tetsuya Sato von der Japanischen Atomenergiebehörde nun, in Kernfusionsreaktionen einzelne ungeladene Lawrenciumatome ( Z = 103 ) zu erzeugen und rasch genug zu untersuchen. So bestimmten sie erstmals einen Wert für die Energie, die nötig ist, das äußerste Elektron zu entfernen. Dieses erste Ionisierungspotenzial ist eine wichtige Kennzahl für jedes Element. Die Forscher verglichen den Wert mit theoretischen Berechnungen und schlossen so eine Lücke in unserem Wissen über die Chemie der so genannten Actinoiden, einer Gruppe von Elementen im Periodensystem. Lawrencium ist ihr letztes und schwerstes Mitglied.

Hier spielt auch Einsteins Relativitätstheorie eine Rolle, die sonst eher aus der Hochenergiephysik und der Astronomie bekannt ist. Je stärker der Kern eines Atoms positiv geladen ist, desto schneller bewegen sich die negativ geladenen Elektronen darum – bis hin zu einem beachtlichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. Das erhöht ihre relativistische Masse, was dazu führt, dass innere Orbitale schrumpfen. Die Elektronen können sich also näher am Kern aufhalten und dessen Ladung besser abschirmen. Das wiederum vergrößert und destabilisiert andere, weiter außen gelegene Orbitale. Dazu kommen weitere relativistische Effekte, die sich auf die möglichen Elektronenenergien auswirken. All diese Aspekte müssen theoretische Chemiker berücksichtigen, wenn sie Computermodelle erstellen wollen, um die voraussichtlichen Eigenschaften eines Elements zu berechnen. ...

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  • Quelle

Sato, T. K. et al.: Measurement of the First Ionization Potential of Lawrencium, Element 103. In: Nature 520, S. 209 - 211, 2015