Ordnung im Periodensystem

Ein internationales Forscherteam 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 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 instabil sind und inner­halb von Sekunden bis Minuten wieder zer­fallen. Eine Unter­suchung ihrer chemischen Eigen­schaften ist nur mit hohem experi­men­tellem Auf­wand an ein­zelnen Atomen möglich.

In den aktuellen Experimenten haben die Wissen­schaftler die erste Ionisie­rungs­energie der Elemente unter­sucht. 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. 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 Christoph Düll­mann von der GSI und dem 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. Zur Bestimmung der ersten Ionisie­rungs­energien nutzen sie die Ober­flächen­ioni­sa­tion. Ein Gas­strom in einem Teflon­schlauch befördert dabei die Elemente in eine Tantal-Kammer mit bis zu drei­tausend Grad Celsius 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.

GSI / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  T. K. Sato et al.: First Ionization Potentials of Fm, Md, No, and Lr: Verification of Filling-Up of 5f Electrons and Confirmation of the Actinide Series, J. Am. Chem. Soc. 140, 14609 (2018); DOI: 10.1021/jacs.8b09068
• Forschungsabteilung für die Chemie superschwerer Elemente (C. Düllmann), GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt
• Nuclear Science Research Institute, Japan Atomic Energy Agency, Tokai, Japan