1080 Stunden lang hatten Forscher aus Russland und den USA mit einem Teilchenbeschleuniger Trillionen von Kalziumionen auf schwerere Atomkerne geschossen. Das Ergebnis des Dauerbombardements: drei Atome eines neuen Elements. Wenige Millisekunden später waren sie wieder verschwunden.

Nachdem die Wissenschaftler am russischen Vereinigten Institut für Kernforschung die infolge der Kernreaktion detektierten Signale und die emittierte Strahlung genau aufgeschlüsselt hatten, waren sie sich ziemlich sicher, einen Augenblick lang das Element Nummer 118 erzeugt zu haben, also Atome mit 118 Protonen im Kern. Nach Jahre dauernden, mehrmaligen Überprüfungen wurde es 2016 offiziell ins Periodensystem aufgenommen und Oganesson genannt, nach Juri Oganesjan, dem 1933 geborenen russischen Pionier der Erforschung superschwerer Elemente.

Im vergangenen Jahrzehnt haben Forscher das Periodensystem ständig erweitert. Die Anzahl der Protonen im Atomkern – Ordnungszahl oder Kernladungszahl genannt – charakterisiert jeden Grundbaustein der Natur. Gleichzeitig mit Oganesson wurden die Elemente mit 113, 115 und 117 Protonen offizielle Mitglieder des Periodensystems. Einer von uns (Düllmann) hat einige der ersten chemischen Experimente mit verschiedenen Vertretern superschwerer Elemente durchgeführt, der andere (Block) hat an den ersten direkten Messungen ihrer Masse und anderen Untersuchungen gearbeitet. Jedes neu entdeckte Element ist aufregend, weil es unbekannte Materie darstellt, der die Menschen nie zuvor begegnet sind. Wir können sie allerdings nicht behalten. Die wenigen Atome, die wir erschaffen, existieren nur einen Wimpernschlag lang. Dann zerfallen sie, weil sich die positiv geladenen Protonen im Kern gegenseitig abstoßen.

Vermutlich durchbrechen jedoch bestimmte noch unentdeckte superschwere Elemente und ihre Isotope – das sind Varianten mit unterschiedlicher Neutronenzahl – dieses Muster flüchtiger Existenzen. Einige könnten theoretisch über Minuten, Tage oder gar Jahre bestehen, bevor sie zerfallen. Sollte das tatsächlich der Fall sein, würden sie einer noch unerforschten Region im Periodensystem angehören, der so genannten Insel der Stabilität. Hier sorgt eine besondere Anordnung der Kernbausteine dafür, dass die Atome lange überdauern könnten, statt nur kurzlebige Laborprodukte zu sein. In letzter Zeit scheinen sich Forscher dem Ufer dieser Insel zu nähern.

Langsames Vortasten zu völlig neuen Spielarten der Materie

Flerovium (Ordnungszahl 114) zum Beispiel zerfällt langsamer, als einige Berechnungen für ein derart protonenreiches Atom vorausgesagt hatten. Und die Halbwertszeit (die Zeit, nach der die Hälfte der Atome in leichtere Kerne zerfallen ist) einiger der neu entdeckten superschweren Elemente nimmt zu, je mehr der ladungsfreien Neutronen diese enthalten. Die Beobachtung deckt sich mit der Vermutung, dass die Insel der Stabilität irgendwo dort im Periodensystem liegt, wo Atome um die 114 Protonen enthalten sowie mehr Neutronen als alle bis heute im Labor erschaffenen Elemente. Die Lebensdauer ist deutlich länger als von theoretischen Modellen vorhergesagt, die keinen Einfluss einer Stabilitätsinsel berücksichtigen. Das hat unzählige Wissenschaftler dazu motiviert, schwere Elemente zu erforschen. Jetzt hoffen wir, die Grenzen der Insel der Stabilität zu kartieren und ihr Zentrum zu finden, in dem die langlebigsten Isotope liegen.

Inzwischen haben Forscher faszinierende Erkenntnisse über die seltsamen Bewohner der Extremregion des Periodensystems zusammengetragen. Die Laborverfahren sind mittlerweise so weit entwickelt, dass wir bestimmen können, wie sich superschwere Elemente chemisch verhalten, etwa ob sie bei Raumtemperatur als Metall oder Gas vorliegen. Und sollten wir es jemals schaffen, größere Mengen dieser Elemente herzustellen, würden sie wohl Eigenschaften zeigen, die sie von allen bekannten Stoffen unterscheiden. Selbst wenn sie dafür zu schnell zerfallen, werden sie uns helfen, die Chemie und die grundlegenden Eigenschaften von Materie besser zu verstehen.

Die chemischen Elemente sind im Periodensystem systematisch zusammengefasst. Das Ordnungsprinzip wurde vor 150 Jahren vor allem von dem russischen Chemiker Dmitri Mendelejew und praktisch gleichzeitig von dem deutschen Chemiker Julius Lothar Meyer entwickelt. Es listet die Elemente nach der Anzahl ihrer Protonen auf und ordnet sie in den Spalten in Gruppen, die mit anderen Stoffen auf ähnliche Weise reagieren und Verbindungen eingehen.

Seither fragen sich Forscher, wie weit sich das Periodensystem wohl erstreckt. Das schwerste Element, das man in größeren Mengen in der Natur findet, ist Uran mit 92 Protonen. Mit jedem zusätzlichen Proton nimmt die positive Ladung zu – und damit die Coloumb-Kraft, mit der sich Teilchen gleicher Ladung gegenseitig abstoßen. Sie wirkt der so genannten starken Wechselwirkung entgegen, die Atomkerne zusammenhält. Schwerere Kerne zerfallen darum tendenziell mit immer kürzerer Halbwertszeit.

Die Stabilität eines Elements hängt jedoch nicht nur von der Anzahl der Protonen ab, sondern auch davon, wie diese zusammen mit den Neutronen im Kern angeordnet sind. Die späteren Nobelpreisträger Maria Goeppert-Mayer und J. Hans D. Jensen haben in den späten 1940er Jahren ein Modell entwickelt, dem zufolge die Kernbausteine so genannte Schalen besetzen. In ihnen findet eine bestimmte Anzahl an Protonen und Neutronen Platz – so wie Elektronen in den Elektronenschalen um den Atomkern. Atomkerne mit vollständig besetzten Schalen gelten als besonders stabil.

Wissenschaftler entwickelten das Schalenmodell für Atomkerne, als sie bestimmte »magische« Zahlen identifizierten: Kerne mit 2, 8, 20, 28, 50 oder 82 Protonen beziehungsweise Neutronen sind stabiler und zerfallen nicht so schnell wie andere. Die Zahlen entsprechen voll besetzten Schalen. Bei den heute bekannten Elementen sind sie für Protonen und Neutronen gleich, allerdings muss das nicht für unbekannte superschwere Elemente gelten. Sind in einem Kern sowohl die Protonenschalen als auch die Neutronenschalen voll besetzt, bezeichnet man ihn als doppelt magisch.

Vieles dabei verstehen Wissenschaftler noch nicht. Welches sind etwa die magischen Zahlen der noch unentdeckten Elemente? Theoretisch sollte es einen doppelt magischen superschweren Atomkern mit 114 Protonen und 184 Neutronen geben. Aber obwohl wir Element 114 im Labor herstellen können, haben wir bislang kein Fleroviumisotop mit 184 Neutronen erzeugt. Schon frühe Vorhersagen aus den 1960er Jahren ließen vermuten, dass dieses Isotop unglaublich stabil sein würde, mit einer Halbwertszeit, die vielleicht an das Alter der Erde heranreicht. Damals kam zum ersten Mal die Idee einer Insel der Stabilität auf. Doch wir wissen nicht, ob 114 und 184 tatsächlich ein magisches Paar sind. Andere Berechnungen sagen Kombinationen aus 120 oder 126 Protonen und teilweise 172 statt 184 Neutronen vorher.

Die Bindungsenergie, die den Kern zusammenhält, ist eng mit einer zunächst verblüffenden Beobachtung verbunden: Die Masse eines Atoms ist geringer als die Summe der Massen seiner einzelnen Bausteine, also der freien Elektronen, Protonen und Neutronen. Albert Einstein lieferte mit seiner berühmten Formel E = m · c² eine Erklärung für diesen so genannten Massendefekt. Die Gleichung drückt aus, dass die scheinbar fehlende Masse tatsächlich in Form von Bindungsenergie vorliegt. Indem wir Atome mit unterschiedlicher Protonen- und Neutronenzahl wiegen, können wir Zusammensetzungen mit einer stärkeren Bindung identifizieren. So bestimmen wir, wie stabil die verschiedenen Kombinationen der Kernbausteine sind.

Welche Zahl auch immer die nächste magische sein wird – wir scheinen allmählich tatsächlich auf die Insel der Stabilität zuzusteuern. Die bisherigen Messdaten haben nämlich gezeigt, dass die Halbwertszeit superschwerer Elemente für eine gegebene Kernladungszahl mit der Anzahl an Neutronen zunimmt. Den Trend illustriert zum Beispiel Element 112 (Copernicium): Während das Isotop Copernicium-277 mit 165 Neutronen lediglich etwa 0,6 Millisekunden lang besteht, ist Copernicium-285, das acht Neutronen mehr enthält, rund 50 000-mal stabiler. Das Muster setzt sich höchstwahrscheinlich bis zum Zentrum der Insel der Stabilität fort.

Diese theoretische Möglichkeit hat eine Suche nach superschweren Elementen auch in der Natur ausgelöst. Obwohl wir sie bislang nicht gefunden haben, so das Argument, könnten sich Spuren davon direkt vor unserer Nase befinden. Sie haben sich vielleicht neben anderen Elementen, die schwerer als Eisen sind, bei Kollisionen zweier Neutronensterne gebildet und anschließend im Universum verteilt. In dem Fall könnten sie in der kosmischen Strahlung vorhanden sein, die aus den Tiefen des Alls zu uns gelangt, oder in Gesteinen auf der Erde überlebt haben.

Mit verschiedenen Methoden wollen Forscher die Atome aufspüren. So deuten Berechnungen darauf hin, dass Element 110 (Darmstadtium) recht stabil wäre und sich chemisch ähnlich wie Platin verhalten könnte, falls es die magische Anzahl von 184 Neutronen enthält. Mittels Röntgenfluoreszenz und Massenspektrometrie haben Experten nach Darmstadtium in Platinerzen gefahndet, waren bei der Suche aber nie erfolgreich. Die Resultate zeigen, dass die Häufigkeit unterhalb von einem Darmstadtiumatom pro einer Milliarde Teilchen liegen muss.

Von der erfolglosen Suche in der Natur zur künstlichen Produktion im Labor

Auch von der kosmischen Strahlung erhoffen sich Wissenschaftler schon länger Hinweise auf superschwere Elemente. Zum Beispiel befand sich an Bord der Long Duration Exposure Facility, eines NASA-Satelliten aus den 1980er Jahren, das Ultra Heavy Cosmic-Ray Experiment. Bis heute gibt es jedoch keine eindeutigen Belege. Die Bemühungen werden weitergehen – schließlich wäre eine Entdeckung außerordentlich bedeutsam. Nicht zuletzt könnten neue Elemente die Synthese von Materialien mit einzigartigen Eigenschaften erlauben.

Da in der Natur bislang keine superschweren Elemente gefunden wurden, müssen wir sie im Labor erschaffen. Dazu reichern wir die Atomkerne gewöhnlicher Elemente mit noch mehr Protonen an. Bis zu einem gewissen Punkt können wir so die energiereichen kosmischen Prozesse imitieren, bei denen schwere Elemente entstehen. Kerne, die zu viele Neutronen enthalten, neigen zum so genannten Betazerfall, bei dem ein Neutron zu einem Proton wird. So bildet sich ein Element mit einer um eine Einheit größeren Ordnungszahl. Durch den Beschuss schwerer Atome mit Neutronen können wir Elemente bis zur Ordnungszahl 100 (Fermium) erzeugen. Bei keinem Fermiumisotop oder den noch schwereren Elementen ist jedoch bisher ein solcher Betazerfall beobachtet worden.

Die Elemente zerfallen schnell, trotzdem verraten neue Messtechniken einiges über ihre chemischen Eigenschaften

Um Elemente mit Ordnungszahlen von 100 und höher herzustellen – wie etwa das eingangs vorgestellte Oganesson –, bringen Forscher zwei Kerne so nahe zusammen, dass sich die starke Wechselwirkung bemerkbar macht. Diese Kraft hat eine extrem kurze Reichweite; darum müssen sich die Kerne fast berühren, um sie zu spüren. Für einen solch geringen Abstand ist es nötig, die Abstoßungskraft der positiv geladenen Protonen zu überwinden. Dazu beschleunigen wir einen der Kerne auf zirka ein Zehntel der Lichtgeschwindigkeit und schießen ihn auf den anderen. Dieser Impuls reicht gerade eben aus, die Coloumb-Kraft zu überwinden und Oberflächenkontakt zwischen den beiden Kernen herzustellen. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Volltreffer ist allerdings extrem gering. Darüber hinaus fusionieren zwei Kerne umso schlechter, je mehr Protonen involviert sind. Und selbst wenn ein verschmolzener so genannter Verbundkern entsteht, zerfällt dieser oft umgehend wieder in leichtere Fragmente. Die geringe Chance, überhaupt einen Verbundkern zu erhalten, und das hohe Risiko für dessen Zerfall machen es äußerst schwierig, immer schwerere Elemente zu synthetisieren.

Trotzdem sind Forscher damit sehr erfolgreich gewesen: Die Elemente mit den Ordnungszahlen 113, 115, 117 und 118 wurden alle auf diese Weise erschaffen und von der Internationalen Union für reine und angewandte Chemie (IUPAC) 2016 offiziell anerkannt. Element 113 bekam den Namen Nihonium. Nihon ist eine von zwei Arten, auf Japanisch »Japan« zu sagen – unter anderem dort wurden die Atome hergestellt. Auch Element 115, Moscovium, heißt nach dem Ort seiner Entdeckung, dem Vereinigten Institut für Kernforschung nahe Moskau. Nummer 117, Tenness, ehrt den US-Bundesstaat Tennessee – das dort beheimatete Oak Ridge National Laboratory steuerte Berkelium (Ordnungszahl 97) zur Synthese des Elements bei. Das 118 Protonen schwere Oganesson komplettiert die neuen Mitglieder des Periodensystems.

Nun fahnden Forscher unter Hochdruck nach Nummer 119, die dem Periodensystem eine neue Zeile hinzufügen würde. Obwohl mehrere Teams – inklusive unserer eigenen – an den weltweit leistungsfähigsten Teilchenbeschleunigern Wochen und Monate investiert haben, war die Kampagne bislang nicht erfolgreich. Ein Hindernis: Die Methode, die zu Oganesson und anderen superschweren Elementen führte, funktioniert nur bis zur Ordnungszahl 118. Leider gibt es keine ausreichenden Mengen an Kernen mit mehr als 98 Protonen, auf die man Kalziumionen (20 Protonen) schießen könnte. Wissenschaftler versuchen deshalb herauszufinden, welche Kombinationen verfügbarer und bekannter Elemente die besten Chancen bieten, noch unbekannte zu erzeugen.

Die neuen Elemente zerfallen blitzschnell, doch es gibt große Fortschritte bei den Messtechniken, die uns trotz der kurzen Lebensdauer einiges über ihre chemischen Eigenschaften verraten können. Das schwerste derart untersuchte Element ist Flerovium (Nummer 114). Im Periodensystem sitzt es direkt unter Blei, es sollte also ein Schwermetall sein. Aber laut theoretischen Erwägungen, die bis ins Jahr 1975 zurückreichen, verhält es sich möglicherweise eher wie ein Edelgas, das kaum mit anderen Stoffen reagiert.

Das Verhalten hängt letztlich von den vielen Protonen im Kern ab. Die extrem hohe positive Ladung der Atomkerne schwerer Elemente beschleunigt die negativ geladenen Elektronen in deren Hülle auf bis zu 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Das erzeugt ganz anders geformte und gelagerte Bahnen als bei den Elektronen leichterer Elemente. Bei Flerovium beispielsweise liegen die Energieniveaus der beiden äußeren Elektronenschalen deutlich weiter auseinander als in vergleichbaren, aber kleineren Atomen wie Blei. Wenn Blei eine chemische Bindung eingeht, liefert dieser Vorgang eher die nötige Elektronenenergie, um den Abstand zu überwinden, als es bei Flerovium der Fall wäre. Flerovium ist daher möglicherweise deutlich reaktionsträger als sein eine Periode höher stehendes Pendant. Darum könnte es eher einem Edelgas ähneln als einem typischen Metall wie Blei.

Das ist jedoch schwer genau vorherzusagen. Verschiedene Theorien sind sich einig darin, dass Flerovium relativ reaktionsträge sein sollte. Aber vermutlich ist es reaktiver als echte Edelgase und könnte etwa schwache metallische Bindungen mit Elementen wie Gold eingehen. Da es bisher nicht gelungen ist, Flerovium in größeren Mengen herzustellen, weiß niemand, wie es aussieht. Manche Vorhersagen gehen davon aus, dass es eine silbrig weiße oder blassgraue Farbe hat und bei Raumtemperatur fest ist.

Die möglichen Eigenschaften von Flerovium faszinieren die Forscher und haben sie zu verschiedensten Experimenten angespornt, obwohl sich nur wenige Atome des Elements pro Tag erzeugen lassen. Obendrein haben selbst die langlebigsten aktuell bekannten Fleroviumisotope nur eine Halbwertszeit von ein bis zwei Sekunden. Eine der besten Anlagen zur Synthese von Flerovium ist die TransActiniden-Separator und Chemie Apparatur (TASCA; Transactinide sind Elemente ab Ordnungszahl 104) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt. Dort beschießen wir eine rotierende Zielscheibe, die mit Plutonium-244 beschichtet ist, mit Kalzium-48. Wenn dabei Fleroviumatome entstehen, lenkt ein Magnet sie in ein Trägergas, das sie in ein spezielles Instrument spült. Dieses besteht aus zwei 32 Zentimeter langen, mit Siliziumdetektoren versehenen Halbschalen, die sich jeweils in einem Abstand von etwa einem halben Millimeter gegenüberstehen. So bildet die Anordnung der Detektoren einen engen Kanal. Ein schnell fließendes Trägergas zwängt das Flerovium hier hindurch. Die Detektoren sind mit einer dünnen Goldschicht überzogen, mit der wir die Wechselwirkung von Flerovium mit dem Metall untersuchen können. Beim Einlass in den Detektorkanal herrscht Raumtemperatur. Sollte Flerovium chemisch einem Metall ähneln, würde es sich in diesem Bereich beim Kontakt an die Goldoberfläche anheften und dort bis zu seinem Zerfall verweilen. Das Ende des Kanals kühlen wir mit flüssigem Stickstoff auf unter minus 160 Grad Celsius. Denn die für Edelgase typischen schwachen Bindungen halten Atome nur bei sehr niedrigen Temperaturen fest. Sollte sich Flerovium wie ein solches verhalten, würde es also erst im hinteren Teil des Kanals an der Oberfläche andocken – wenn überhaupt.

Mit Detektoren und Laserlicht auf der Spur der atomaren Struktur

Während eines Versuchs an der TASCA beobachtete unsere Forschungsgruppe zwei Atome, die im ungekühlten Bereich des Detektorkanals zerfielen. Flerovium schien also eine metallähnliche Bindung eingegangen zu sein. Ein zuvor in Russland durchgeführtes Experiment lieferte drei Fleroviumatome. Eines davon zerfiel ebenfalls bei Raumtemperatur, die anderen zwei detektierten die beteiligten Forscher vom schweizerischen Paul Scherrer Institut hingegen bei etwa minus 90 Grad Celsius. Das interpretierten die Forscher als edelgasähnliches Verhalten. Wir analysieren inzwischen neue Daten, die wir am Helmholzzentrum gewonnen haben, um die Eigenschaften dieses spannenden Elements zu klären.

Ein anderer Zugang zu den chemischen Eigenschaften ist es, die atomare Struktur zu untersuchen, indem man die Elektronenbahnen mit Hilfe von Lasern vermisst. Im September 2016 und im Juni 2018 publizierten wir mit unseren Teams die Ergebnisse der ersten Laserspektroskopie-Experimente mit dem superschweren Element Nobelium (Ordnungszahl 102). Zunächst stellten wir mehrere Nobeliumatome pro Sekunde her, indem wir Bleiatome (82 Protonen) mit Kalziumatomen (20 Protonen) bombardierten. Anschließend bremsten wir sie in Argongas ab und beschossen sie mit Laserpulsen. Hatten die Pulse die richtige Energie, konnte ein Elektron sie absorbieren und gewann dadurch genügend Energie, dass es dem Nobelium entfliehen konnte. Indem wir die Frequenz des Lasers variierten, ließ sich präzise die zur Entfernung des Elektrons nötige Energie messen. Diese so genannte Ionisierungsenergie ist eine der charakteristischen Eigenschaften chemischer Elemente. Sie bestimmt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Element mit anderen reagiert und eine Bindung eingeht. Wir haben diese Versuche zuerst mit Nobelium-254 durchgeführt und sie später auf die Isotope mit 252 und 253 Kernteilchen ausgedehnt, um zu verstehen, wie sich die Anzahl an Neutronen auf die energetische Lage des Elektronenniveaus auswirkt. Die Ergebnisse verraten etwas über die Gestalt der positiv geladenen Atomkerne der Isotope – je nach deren Größe und Form ändert sich das Verhalten der sie umkreisenden Elektronen. Obwohl sich das Elektronenniveau dadurch nur um zirka ein Millionstel ändert, lässt sich der Effekt bestimmen. Man beobachtet dabei den Zuwachs der Größe des Atomkerns durch das Hinzufügen von Neutronen. Außerdem bestätigen die Messungen, dass der Nobeliumatomkern in diesen Isotopen wie ein amerikanischer Football geformt ist. Die theoretischen Kernmodelle, die unsere Daten gut beschreiben, sagen sogar vorher, dass die schweren Atomkerne nicht homogene Körper sind, sondern durch eine deutlich reduzierte Protonendichte im Zentrum eine hohle Struktur entwickeln.

Wissenschaftler haben auch schon chemische Bindungen zwischen superschweren Elementen und leichteren Atomen geknüpft. Ein Beispiel ist die Synthese eines Moleküls mit Seaborgium (Element 106). 2013 hat eine Gruppe von Forschern um einen von uns (Düllmann) bei einem Versuch am japanischen RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science Seaborgiumisotope mit einer Halbwertszeit von rund zehn Sekunden erzeugt. Nach anschließender Zugabe von Kohlenmonoxid bildete das schwere Element eine Hexacarbonyl-Verbindung, in der sich sechs Moleküle Kohlenmonoxid um ein zentrales Seaborgiumatom lagerten.

Seaborgium verhielt sich ähnlich wie seine bekannteren Verwandten Wolfram und Molybdän, die gleich viele Valenzelektronen besitzen, also Elektronen in der äußersten Schale. Während des etwa zweiwöchigen Experiments ging Seaborgium mit Kohlenmonoxid dieselbe Hexacarbonyl-Verbindung ein wie Wolfram und Molybdän, und es zeigte obendrein eine ähnliche Wechselwirkung mit Siliziumoxid-Oberflächen. Eine der nächsten Fragen, die zu klären sind, lautet, welches der drei Elemente das stabilste Hexacarbonyl-Molekül bildet. Die ersten Berechnungen aus den späten 1990er Jahren deuteten auf Seaborgium hin, neuere sehen hingegen Wolfram vorne.

Dies sind nur einige Beispiele für die Art von Versuchen, die Wissenschaftler mit superschweren Elementen durchführen, und für die vielen offenen Fragen, die sie damit zu beantworten hoffen. Zwar sind die neuesten Mitglieder des Periodensystems zugegebenermaßen recht exotisch. Dennoch liefern Experimente immer mehr Informationen darüber, wie sie in das Schema passen, das vor 150 Jahren auf Grundlage alltäglicher Elemente erstellt wurde. Unabhängig davon, ob wir das Zentrum der Insel der Stabilität jemals erreichen und ob sich die dortigen Elemente tatsächlich als so langlebig herausstellen werden, erfahren wir bereits jetzt anhand superschwerer Elemente viel über die chemischen Grundbausteine der Natur.