Das Spiel mit den Zahlen: Erweiterung des Periodensystems Understand article

Übersetzt von Anne Käfer. Bis vor wenigen Jahrhunderten glaubten die Menschen, die Welt wäre nur aus Erde, Luft, Wasser und Feuer gemacht. Seitdem haben Wissenschaftler 118 Elemente entdeckt und sie suchen nach dem Element 119.

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In modernsten Laboratorien in Europa arbeiten Wissenschaftler zusammen, um neue Elemente zu entdecken. Wenn sie Erfolg haben, gehören sie zum Club der Wissenschaftler, die das Periodensystem neu geschrieben haben.

Die Alten Griechen hatten wohl nicht Recht, wenn sie glaubten, es gäbe nur vier Elemente – Erde, Luft, Feuer und Wasser – aber gewissermaßen lagen sie richtig: Elemente sind die Bestandteile von allem, was uns umgibt, aneinander gebunden zu Verbindungen und gemischt in unterschiedlichem Verhältnis. Aber während Verbindungen in kaleidoskopischer Vielfalt existieren, sind Elemente recht einfach und bisher sind in der Wissenschaft nur 118 Elemente bekanntw1. Ein neues zu entdecken ist eine große Sache.

Lithium
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Atome, die Bausteine der Substanzen, sind alle aus den gleichen einfachen Bestandteilen zusammengesetzt: winzige Partikel, die man als Protonen und Neutronen bezeichnet, und noch winzigere Elektronen, die diese umkreisen. Die Zahl der Protonen in einem Atom – die Atomzahl – gibt an, um welches Element es sich handelt. Ein Sauerstoffatom, zum Beispiel, hat acht Protonen, acht Neutronen (gewöhnlich) und acht Elektronen, während die schwersten Elemente mehr als hundert von jedem haben können.

* * *

Der russische Chemiker Dmitri Mendeleev wusste nichts davon, als er im Jahre 1869 die Elemente in einer Tabelle basierend auf dem Atomgewicht anordnete. Er entdeckte schnell bestimmte Strukturen: vor allem Spalten, in denen sich Elemente mit ähnlichen Eigenschaften befanden. Zum Beispiel, Kalium, Rubidium und Caesium, drei Metalle, die heftig mit Wasser reagieren, sind übereinander angeordnet.

Zunächst gab es in Mendeleev´s Tabelle ein Problem: Sie war voller Lücken. Zwischen Zink und Arsen zum Beispiel schienen zwei Elemente zu fehlen. Aber er machte die gewagte Prognose, dass diese Löcher mit neu entdeckten Elementen gefüllt werden würden, und er nutzte seine Tabelle, um deren Eigenschaften vorherzusagen. Und er lag richtig: Die Lücke wurde bald mit Gallium und Germanium gefüllt.

Mendeleev’s Periodensytem
veröffentlicht im Jahre 1869.
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Mit einigen Verbesserungen und Modifikationen ist die Tabelle, die Mendeleev schuf, das System, das wir bis heute als Periodensystemw1, nutzen, etwas so Grundlegendes, dass es erfunden werden musste.

In den folgenden Jahrzehnten gab es ein Wettrennen zwischen Chemikern, um die restlichen Lücken zu füllen. Auf dem Weg dorthin entdeckten sie, warum das Periodensystem funktioniert: die Reihen und Spalten spiegeln wider, wie die Elektronen in den Umlaufbahnen in verschiedenen Elementen angeordnet sind, und wie die Elektronen andererseits viele Eigenschaften der Elemente bestimmen.

1945 wurde die letzte Lücke im System gefüllt. Hatte die Wissenschaft endlich alle Elemente entdeckt? Seltsamerweise ist die Antwort Ja und Nein. Alle Elemente, die natürlich auf der Erde existieren, waren bekannt. Aber – das ist das große Aber – man konnte nichts dazu sagen, ob nicht neue Elemente künstlich geschaffen werden könnten, angehängt ans Ende des Periodensystems jenseits des Elementes 92, Uranium.

Dmitri Mendeleev
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Mit der Entwicklung der Atomforschung in den 40iger Jahren wurden – als die letzten Löcher im Periodensystem gefüllt wurden – neue Elemente im Labor geschaffen, die ans Ende des Periodensystems angefügt wurden, wodurch bis heute 118 Elemente bekannt sind. Niemand weiß, wieviele noch entdeckt werden.

Man weiß jedoch, dass die Schaffung neuer Elemente immer schwieriger wird. Heute benötigt man die modernsten Laboratorien in der Welt, um eine Chance zu haben: Die einfachen Elemente sind schon entdeckt.

* * *

Das wahrscheinlich schwierigste ist das vorhergesagte Element Ununennium mit dem Zungenbrechernamen, auf das sich zur Zeit ein internationales Forscherteam konzentriert.

Um das Element 119
herzustellen, planen
Wissenschaftler, einen
intensiven Strahl von
Titanium-Atomen auf
Berkelium zu feuern
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Das Team, das vom GSI (Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung) in Deutschland koordiniert wird und ca. 20 Forschungszentren in der ganzen Welt umfasst, beabsichtigt, das Element 119 zu schaffen. Ihre Methode klingt trügerisch einfach: Richte einen Strahl von Titanatomen (Ordnungszahl 22) auf Berkelium (97). Füge die beiden zusammen und – eureka! – du bekommst 119.

Natürlich ist das nicht so einfach.

Zunächst einmal existiert hoch radioaktives Berkelium nicht in der Natur: Es muss zunächst in einem Kernreaktor erzeugt werden. Darüberhinaus ist es irrsinnig schwierig, die beiden Elemente durch Aufprallen zu vereinigen.

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“Es ist extrem schwierig, intensive Titanstrahlen zu erzeugen. Um dies zu erreichen, haben wir Geheimnisse, die wir nicht mit anderen teilen möchten“, erklärt Professor Jon Petter Omtvedt, ein Team-Mitglied. „Wir werden die Platte mit einem Strahl von fünf Trillionen [5 x 1012] Titan-Atomen pro Sekunde bombardieren […]. Die Wahrscheinlichkeit eines direkten Treffers [zwischen den Atomen] ist extrem niedrig. Wenn die Atome miteinander in seltenen Fällen zusammenstoßen, werden sie bei der Kollision gewöhnlich nur zerschlagen oder teilweise zerstört. Weniger als einmal im Monat werden wir aber ein komplettes Atom bekommen”

Erzeugung von Ununennium:
die Team-Mitglieder
Professor Christoph
Düllmann und Dr Alexander
Yakushev vor der
experimentellen Anordnung.
Mit Hilfe eines
Partikelbeschleunigers
werden Titanionen fast bis
auf Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt, danach
durchlaufen sie eine
Silberröhre auf der linken
Seite und schmettern auf ein
Ziel aus Berkelium (in der
gelb-gestreiften Box im
Zentrum). Unter Verwendung
von drei Magneten (roter
Kasten auf der rechten Seite)
werden die resultierenden
Ununennium-Ionen von allen
anderen Partikeln abgetrennt.
Danach werden sie in einem
Detektor erfasst, wo ihr
Zerfall registriert wird
.
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von G Otto / GSI

Das ist so, wie wenn man den Jackpot einer Lotterie gewinnt, indem man genug Lose kauft, um einen Gewinn zu garantieren. Das ist langsam und ineffizient, aber es ist ein Spiel mit den Zahlen und eventuell wirst du Erfolg haben.

Aber es gibt noch ein anderes Problem. Alle schweren Elemente sind radioaktiv: Ihre Atome zerfallen mit der Zeit in leichtere, wobei sie Strahlung aussenden. Und die schwersten bekannten Elemente sind alle unglaublich instabil. Ununoctium (Element 118) zersetzt sich nach seiner Entstehung innerhalb von Millisekunden; Ununennium könnte eine noch kürzere Lebensdauer haben.

Es ist nicht so, als wären sie gefährlich – die Anteile sind so winzig, dass die Strahlendosis ungefährlich ist. Aber es macht es schwierig, die gerade erzeugten Elemente zu untersuchen: Du kannst sie nicht in ein Probenröhrchen füllen oder sie im Bunsenbrenner erhitzen, weil du nur jeweils ein einzelnes Atom für den Bruchteil einer Sekunde hast.

Die Lösung des Teams besteht darin, Ununennium mit Hilfe eines Partikelbeschleunigers zu erzeugen, es dann in einen Detektor zu feuern und die Spuren der sich auflösenden Ununennium-Kerne (Strahlung und die Atome, in die es zerfällt) an Stelle von Ununennium selbst zu suchen.

Das ist eine kluge Lösung, aber sie berücksichtigt eines der Ziele des Teams nicht: Sie wären gerne in der Lage zu untersuchen, wie Atome dieses exotischen Elementes miteinander reagieren. Aber das wird wahrscheinlich niemals möglich sein, jedenfalls nicht mit einer Technologie, die wir uns heute vorstellen können.

Aber wenn es dein Job ist, für deinen Lebensunterhalt neue Elemente zu erzeugen mit Chancen wie beim Lotterie-Jackpot, dann könnte „unmöglich“ wie eine Herausforderung klingen….

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Mit freundlicher Genehmigung von NikNaks; Bildquelle: Wikimedia Commons

Danksagung

Die Herausgeber von Science in School bedanken sich bei Professor Christoph Düllmann vom GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung für seine Unterstützung bei diesem Artikel.

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Web References

  • w1 – Die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) ist eine öffentliche Institution, die entscheidet, ob ein Element entdeckt worden ist. Das IUPAC Periodensystem umfasst alle Elemente von 1 bis 112, sowie die Elemente 114 und 116. Die Elemente 113, 115, 117 und 118 sind von der IUPAC nicht offiziell anerkannt, obwohl die Entdeckung dieser Elemente in der wissenschaftlichen Literatur beansprucht wird.

Resources

Author(s)

Oli Usher ist wissenschaftlicher Autor. Er hat ein Aufbaustudium in Geschichte und Wissenschaftstheorie, er war Journalist und Wissenschaftskommunikator und ist zur Zeit Referent für Öffentlichkeitsarbeit für die NASA / ESA Hubble Space Telescope. Er ist Mitautor des Buchs An Element of Controversy: The History of Chlorine in Science, Technology, Medicine and War.


Review

Nach einer kurzen Zusammenfassung zur Schaffung und Entwicklung des Periodensystems befasst sich dieser Artikel mit der gegenwärtigen Forschung zur Entdeckung von neuen Elementen. Er könnte im Chemie- und Physik-Unterricht eingesetzt werden, vor allem auf den Gebieten Kernchemie, Atomphysik und Geschichte der Naturwissenschaften. Der Artikel könnte auch genutzt werden, um wissenschaftliche Methoden zu diskutieren sowie die Geschwindigkeit des wissenschaftlichen Fortschritts, die Schwierigkeiten, mit denen Forscher zu kämpfen haben, und den Nutzen von Grundlagenforschung.

Die Geschichte der Naturwissenschaften ist ein Thema, das selten an weiterführenden Schulen behandelt wird und dadurch könnten Naturwissenschaften für Studenten attraktiver werden, vor allem solche, die sich mehr für Geisteswissenschaften interessieren. Der Artikel könnte genutzt werden, um die Verbindungen zwischen Naturwissenschaften und Geisteswissenschaften zu zeigen.

Mögliche zusammenfassende Fragen umfassen:

  1. Wieviele Elemente gab es nach Ansicht der Alten Griechen?
  2. Was ist die Atomzahl?
  3. Wieviele Elemente umfasst das Periodensystem zur Zeit?
  4. Beschreibe die Methode, die das Team nutzt, um neue Elemente zu entdecken. Was sind die Probleme bei dieser Methode?

Mireia Güell Serra, Spanien




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