Superschwer und seltsam

  • 07. February 2018

Oganesson, das schwerste bekannte Element, zeigt unge­wöhnliche Schalen­strukturen.

Es ist ein Neuzugang im Perioden­system und zugleich das aktuell schwerste bekannte Element: Oganesson wurde zum ersten Mal vor über zehn Jahren synthe­tisiert und fällt mit einer Ordnungs­zahl von 118 in die Gruppe der Edelgase. Damit ist es das erste überschwere Edelgas-Atom. Das zweit­schwerste Edelgas ist Radon mit einer Ordnungs­zahl von 86; es zählt nicht zu den über­schweren Elementen. Seit 2016 trägt Oganes­son offiziell seine Bezeichnung: Es ist nach dem russischen Kern­physiker Juri Zolakowitsch Oganesjan benannt, wissen­schaftlicher Leiter des Flerow Labors für Kern­reaktionen (FLNR) des Verei­nigten Instituts für Kern­forschung (JINR) in Dubna.

bb.: Berechnete Elektronenzustände in Xenon, Radon und Oganesson. Während bei den beiden Edelgasen oben eine deutliche Schalenstruktur zu erkennen ist, besitzt das überschwere Oganesson eine eher verwaschene Struktur. (Bild: P. Jerabek et al. / APS / A. Stonebraker)

Abb.: Berech­nete Neu­tro­nen- (links) und Pro­­to­nen­lo­ka­li­sie­rungs­funk­tio­nen (rechts) in Zinn-132, Oga­nes­­son-302 und dem hy­po­­the­ti­schen 472164. Wäh­rend bei Zinn eine deut­li­che Scha­len­struk­tur zu er­ken­nen ist, be­sit­zen die schwe­ren Ele­men­te vor al­lem bei Neu­tro­nen eine eher ver­wa­sche­ne Struk­tur. (Bild: P. Je­ra­bek et al. / APS)

Seine Stellung im Perioden­system als schwerstes Edelgas macht es einerseits interes­sant für Unter­suchungen zu seiner elek­tronischen und nukleo­nischen Struktur. Anderer­seits sind Experi­mente hierzu schwierig, denn sowohl die Produktions­raten als auch die Lebens­dauern dermaßen schwerer Elemente sind sehr gering. Oga­nesson besitzt eine Halbwerts­zeit von knapp unter einer Milli­sekunde, so dass chemische Versuche kaum durchzu­führen sind. Ein inter­nationales Forscher­team um Paul Jerabek von der Massey Univer­sity im neusee­ländischen Auckland hat deshalb nun die Methode der „Fermi-Lokalisierung“ genutzt, um die Schalen­struktur sowohl der Elek­tronen als auch der Nukleonen im Atomkern von Oganesson zu bestimmen.

Damit gelang den Wissen­schaftlern nicht nur erstmals die Anwendung dieser Methode für ein über­schweres Element. Es zeigte sich auch, dass in diesem Massen­bereich Effekte eine Rolle zu spielen beginnen, die bei etwas leichteren Elementen wie Radon in dieser Form noch nicht auftreten. Oganesson zeigt etwa eine ziemlich unge­wöhnliche elek­tronische Schalen­struktur, die man bei einem Edelgas so nicht vermutet hätte.

Bei schweren und über­schweren Elementen machen sich mehrere Effekte zunehmend stark bemerkbar. Einer­seits ist die Ladung des Atomkerns so groß, dass die inneren Elek­tronen sie nicht mehr gut abschirmen können. Außerdem wachsen die Coulomb-Kräfte so stark, dass relati­vistische Effekte ins Spiel kommen. Dies führt bei über­schweren Elementen etwa dazu, dass die Elektronen­schalen nicht mehr allzu scharf lokalisiert sind und zunehmend verschmieren. Um dies zu berück­sichtigen, wandten die Forscher das Dirac-Hartree-Fock-Verfahren anstelle der nicht­relativis­tischen Schrö­dinger-Gleichung an. Die Schalen­struktur bestimmten sie über die Fermi-Loka­lisierung, mit der sich die Wahrschein­lichkeit, zwei Teilchen in einem bestimmten Raum­bereich zu finden, berechnen lässt. Damit konnten die Wissen­schaftler sowohl die Struktur der Elektronen­hülle als auch diejenige des Atomkern bestimmen.

Für die Elektronen ergab sich eine außer­gewöhnlich hohe Spin-Bahn-Kopplung sowie starke relati­vistische Effekte. Die Forscher verglichen ihr komplexes, relati­vistisches Verfahren auch mit einfachen, nicht­relativis­tischen Rechnungen. Bei der Bestimmung der Elektronen­schalen von Xenon, Radon und Oganesson zeigte sich bei den nicht­relativis­tischen Näherungs­methoden wie erwartet lediglich eine Zunahme der Schalen gemäß der Stellung im Perioden­system. Die relavis­tischen Rechnungen lieferten bei Xenon nur schwache Korrek­turen. Bei Radon war bereits ein stärkere Abweichung zu sehen, während Oganesson eine gänzlich ver­waschene Struktur aufwies und kaum noch von einer geord­neten Schalen­struktur zu sprechen war. Dies entspricht einem Übergang zu einem Thomas-Fermi-Gas, bei dem Elektronen­paare mit einheit­licher Dichte vorliegen.

Diese starken relativis­tischen Effekte verdanken sich zu gutem Teil den sehr starken Spin-Bahn-Kopplungen der Elektronen­schalen mit Bahndreh­impuls größer null. Diese lassen die Loka­lisierung der einzelnen Teilchen stark „ver­schmieren“, so dass die gesamte elek­tronische Struktur sehr viel einheit­licher aussieht als bei den sauber gestaf­felten Elektronen­schalen der übrigen Edelgase. Daraus resultieren laut den Berech­nungen der Forscher eine positive Elek­tronen-Affi­nität, eine hohe statische Dipol-Polarisier­barkeit sowie in Folge davon für ein Edelgas unge­wöhnlich starke Van-der-Waals-Kräfte. Dies lässt für Oganesson besondere chemische und physi­kalische Eigen­schaften erwarten.

Auch im Atomkern nehmen mit zuneh­mender Ordnungs­zahl die außerge­wöhnlichen Eigen­schaften zu. Da die Neutronen­zahl bei den schweren Elementen im Verhältnis zu den Protonen überpro­portional ansteigt, spielt hier die Deloka­lisierung der Neutronen eine immer größere Rolle. Denn auf demselben Volumen sind mehr Neutronen als Protonen zusammen­gedrängt.

Die Forscher verglichen Oganes­son-302 (mit 118 Protonen und 184 Neutronen) mit dem doppelt magischen Zinn-132 sowie dem hypo­thetischen, über­schweren Atomkern mit 164 Protonen und 308 Neutronen (472164). Simula­tionen zur Kern­struktur hatten für Oganesson-302 einen etwas verformten Atomkern vorhergesagt, da ihm noch acht Neutronen zum Abschluss der nächsten Neutronen­schale fehlen. Außerdem sollte die enorm starke Coulomb-Abstoßung zu einer Konzen­tration der Protonen in den äußeren Atomkern-Schichten führen. Dies zeigte sich auch in den Rechnungen: Die Protonen­schalen waren deut­licher ausge­prägt als die Neutronen­schalen, mit zunehmender Protonendichte in den äußeren Schalen. Damit bietet Oga­nesson ein interes­sante Möglich­keiten, Theorien zur Struktur der Materie unter extremen Bedin­gungen zu testen.

Dirk Eidemüller

JOL

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