Weltjahr des Periodensystems Ist da noch Platz im Periodensystem?

Viele Kacheln auf einer großen Tafel an der Wand des Chemie-Raums und keine Ahnung, was das eigentlich alles so richtig bedeutet: Viele Menschen haben wenig spannende Erinnerungen ans Periodensystem der Elemente - und tun ihm damit Unrecht! Denn die Frage, ob das eigentlich voll ist, führt direkt in die spannende Welt von Teilchenbeschleunigern und Kernfusion.

von Kristin Kielon

Ein Mann in einem weißen Schutzoverall steht im Teilchenbeschleuniger UNILAC im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung - einer kupferfarbenen Röhre mit verschiedenen Streben.
So sieht der Teilchenbeschleuniger UNILAC von innen aus. Bildrechte: G. Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Ein "Schwermetall" benannt nach einer Heavy Metal-Legende: Das letzte Mal hatte das Periodensystem der Elemente die volle Aufmerksamkeit der Öffentlichkeit, als Musikfans eine Petition starteten.

Lemmy Kilmister von Motörhead
Ist kein Namsgeber für ein Element geworden: Motörhead-Sänger Lemmy Kilmister Bildrechte: EMI Music

Weil vier neue Elemente noch einen Namen brauchten, forderten sie: Eines dieser superschweren Elemente muss Lemmium heißen - benannt nach Lemmy Kilmister, dem 2015 verstorbenen Sänger und Bassisten der Band Motörhead. Geklappt hat das damals nicht und Lemmy selbst hätte es vielleicht auch gar nicht so gut gefallen. Immerhin betonte er zu Lebzeiten, dass seine Band keinen Heavy Metal sondern eher Rockmusik machen würde. Was es aber brachte, war Aufmerksamkeit für das Periodensystem: Denn da gab es tatsächlich noch neue, unentdeckte Elemente!

Das war 2016. Heute sieht das Periodensystem irgendwie vollständig aus: Genau 118 Elemente verteilen sich auf sieben volle Reihen und 18 Spalten. Aus dem Schulunterricht dürften es viele noch kürzer in Erinnerung haben. Zu Recht: Das vorerst letzte Element mit der Ordnungsnummer 118 "Oganesson" wurde 2005 entdeckt und die Ordnungsnummer 117 "Tenness" im Jahr 2010. Erst 2016 wurden sie offiziell von der zuständigen International Union of Pure and Applied Chemistry (Iupac) anerkannt und benannt.

Was bedeutet die Ordnungszahl der Elemente? Die verschiedenen Elemente sind nach ihrer Ordnungszahl sortiert. Diese Ordnungszahl entspricht der Anzahl der Protonen im Atomkern. Jedes Element hat also eine charakteristische Anzahl von Protonen.

Von den Elementen der Erde zur Kernfusion

Die Elemente im Periodensystem sind höchst unterschiedlich. Einige sind der Menschheit schon seit tausenden von Jahren bekannt - Eisen, Kupfer oder Gold etwa. Diese Elemente kann man meist auch ausgraben und anfassen. Bei anderen Elementen ist das schon schwieriger: Gase beispielsweise lassen sich nun einmal nicht haptisch wahrnehmen. Trotzdem wurden sie schon in den 1770er-Jahren entdeckt. Nach und nach wurden Chemikern immer mehr neue Elemente bekannt.

Im 19. Jahrhundert herrschte quasi Chaos in der Chemie: Forscher entdeckten immer neue Elemente, einen Zusammenhang sah man jedoch lange Zeit nicht. Bis der russische Chemiker Dmitri Mendelejew ein System entwickelte, das die Elemente nach Masse und chemischen Eigenschaften sortierte. Seine Publikation "Die Beziehungen zwischen den Eigenschaften der Elemente und ihren Atomgewichten" erschien 1869 - also vor genau 150 Jahren.

Periodensystem der Elemente
So sieht das Periodensystem aktuell aus Bildrechte: colourbox

Es war die Erstveröffentlichung aller 64 damals bekannten Elemente und gleichzeitig die Vorhersage drei weiterer Elemente, die später tatsächlich nachgewiesen wurden. Unabhängig davon hat auch der deutsche Arzt und Chemiker Lothar Meyer ein Periodensystem entworfen. Es erschien im Dezember 1869 unter dem Titel "Die Natur der chemischen Elemente als Funktion ihrer Atomgewichte". Beide Leistungen gelten als gleichwertig und wurden 1882 gemeinsam mit der Davy-Medaille geehrt - einer der höchsten Auszeichnung für Chemiker.

In der schottischen Universität St. Andrews haben Forscher jüngst eine sehr alte Schautafel mit Mendelejews Periodensystem darauf gefunden. Der Universität zufolge ist der Druck das älteste erhaltene Schaubild seiner Art. Eine Aufschrift datiere sie auf das Jahr 1885 - also 16 Jahre nach Erstveröffentlichung.

Aus diesen 64 Elementen sind bis heute 118 geworden. Darunter sind auch einige, die so gar nicht in der Natur vorkommen. Alle Elemente jenseits von Uran mit der Ordnungszahl 92 müssen mithilfe einer Kernfusion künstlich erzeugt werden. Sie heißen Transurane oder superschwere Elemente.

Gibt es da noch mehr?

Der Teilchenbeschleuniger UNILAC im GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung von außen: Eine lila-farbene lange Stahlröhre.
Der Linearbeschleuniger UNILAC 
(engl. UNIversal Linear ACcelerator) ist 120 Meter lang.
Bildrechte: A. Zschau/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Die Suche nach neuen Elementen ist noch lange nicht vorbei. An einigen internationalen Forschungseinrichtungen suchen Wissenschaftler nach wie vor nach neuen Elementen - also dem Beginn der achten Reihe im Periodensystem. In dieser Grundlagenforschung konzentrieren sie sich auf immer schwerere Elemente mit extrem kurzen Halbwertszeiten. Doch die müssen sie in einer Kernfusionsreaktion künstlich herstellen.

In einem Teilchenbeschleuniger schießen sie dazu Atome zweier auf der Erde natürlich vorkommender Elemente aufeinander. Die beiden Atomkerne verschmelzen bei der richtigen Geschwindigkeit zu einem neuen, größeren und schwereren Atomkern. Doch der hält oftmals nur sehr kurze Zeit, bevor er wieder zerfällt. Das Element Organesson mit der Ordnungszahl 118 beispielsweise hat nur eine Halbwertszeit von 0,89 Millisekunden.

Man braucht zum einen den Teilchenbeschleuniger, um eben einen der Kerne zu beschleunigen und zum anderen muss man das mit genau der richtigen Geschwindigkeit machen. Wenn man das zu schnell macht, dann platzen die Kerne sozusagen in Bruchstücke auseinander - wenn man es zu langsam macht, kommen sie sich nicht nahe genug und können nicht miteinander verschmelzen.

Prof. Dr. Michael Block, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Universität Mainz

Den Forschern am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt ist das schon sechs Mal gelungen: Sechs Elemente aus dem Periodensystem haben sie entdeckt - die Ordnungszahlen 107 bis 112. Die GSI-Wissenschaftler beschleunigen mit einem 120 Meter langen Teilchenbeschleuniger elektrisch geladene Atome - also sogenannte Ionen - auf hohe Geschwindigkeiten. Dieses Ausgangselement schießen sie dann mit etwa 30.000 Kilometern pro Sekunde auf das andere Ausgangselement, erklärt Physik-Professor Michael Block. Die hohe Geschwindigkeit ist wichtig: Da die beiden Atomkerne sich eigentlich abstoßen, wird diese enorme Abstoßung dadurch überwunden und sie könnten zu einem neuen Element verschmelzen.

Das neue Element ergibt sich aus der Summe der Ausgangselemente: Element 110 (Darmstadium) = Element 28 (Nickel) + Element 82 (Blei)

Wenn sie so ein neues Element erzeugt haben, müssen sie das auch beweisen. Dabei kommt ihnen die Tatsache zugute, dass dieses neue Element instabil ist - es also nach Bruchteilen von Sekunden in ein anderes, leichteres Element zerfällt, so die GSI-Forscher. Das kann sich mehrmals wiederholen. Am Ende entsteht eine messbare Zerfallskette, erläutert Block.

Physik-Professor Michael Block, Leiter der GSI-Experimentiergruppe, am Messaufbau der Ionenfalle SHIPTRAP.
Kernphysiker Michael Block an der Ionenfalle Bildrechte: G. Otto/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Sie sind instabil, das heißt sie machen sogenannte radioaktive Zerfälle und wandeln sich dabei in andere Elemente um. Dieser Umwandlungsprozess geht so lange weiter, bis ein stabiles Element erreicht ist - wie zum Beispiel Blei. Und wir haben dann diese Sequenz von Zerfällen. Das nennen wir eine Zerfallskette. Also wenn sie zum Beispiel das Element Darmstadtium erzeugen, dann wandelt das sich um in das Element Hassium, dann in das Element 106 usw.

Prof. Dr. Michael Block, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Universität Mainz

Diese Zerfallsketten können die Forscher messen und nachvollziehen. Dafür reicht es aus, dass das Atom gerade einmal Bruchteile von Sekunden existiert. Doch so einen Erfolg gab es lange nicht. Gibt es also doch nichts mehr zu entdecken?

Eine unbekannte Grenze

Doch das gibt es, sagt Kernphysiker Block vom GSI. Es sei davon auszugehen, dass es noch weitere Elemente geben müsse, die jenseits der 118 liegen. Und auch andere Physiker gehen davon aus, dass eine achte Reihe im Periodensystem mindestens noch angefangen werden muss. Aber ein Ende gebe es trotzdem, sagt Block. Nur wo das ist, wisse eben noch niemand.

Die Theorien sagen vorher, dass es vielleicht Elemente bis 126 oder so geben könnte. Darüber hinaus ist es ein bisschen unklar. Es gibt aber durchaus inzwischen auch theoretische Modelle, die Elemente bis 172 grundsätzlich als möglich beschreiben.

Prof. Dr. Michael Block, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Universität Mainz

Dass es eine Grenze geben muss, liegt in der Natur der Sache: Die Protonen im Atomkern sind positiv geladene Teilchen, die sich gegenseitig abstoßen. Steckt man immer mehr von ihnen in einen Atomkern, kommt irgendwann der Punkt, an dem diese Abstoßung so stark wird, dass die anziehende Kernkraft sie nicht mehr kompensieren kann. Und dann würde das neue Element nicht mehr existieren können, erläutert Kernphysiker Block.

Eine Forscherin steht am Startpunkt der Beschleunigeranlage - einer großen Box mit zahlreichen Kabeln und Schaltern.
Die Ionenquellen sind der Startpunkt der GSI/FAIR-Beschleunigeranlage. Hier können Ionen aller (natürlichen) Elemente des Periodensystems mithilfe elektrischer Hochspannung erzeugt. Anschließend werden sie in die Beschleunigungskette aus einem Linear- und einem Ringbeschleuniger eingespeist. Bildrechte: J. Hosan/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Das Ende der Regelmäßigkeit

Es gibt noch einen zweiten Grund, warum das Periodensystem so wie wir es kennen, endlich sein muss. Denn aus Sicht der Chemie zeigen Elemente mit höheren Ordnungszahlen immer mehr sogenannte Anomalien. Das heißt, dass sie nicht mehr die periodischen Eigenschaften zeigen, die ihnen im Periodensystem zugewiesen bzw. angenommen werden. Manche zeigen wenige Abweichungen, andere könnten ganz aus der periodischen Logik fallen. Bis jetzt sei es noch so gewesen, dass die Mehrzahl der Elemente noch sehr gut in dieses periodische System hineingepasst habe.

Also Sie müssen natürlich bedenken, dass innerhalb einer Periode sich nicht immer alle Elemente exakt gleich verhalten, sondern Sie dann natürlich auch bestimmte Trends haben. Aber wir erwarten eben ab einem bestimmten Punkt, dass es langsam starke Abweichungen von dieser Periodizität geben könnte. Dieser Punkt ist vielleicht schon im Bereich um Element 114 erreicht.

Prof. Dr. Michael Block, GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung und Universität Mainz

Schuld an diesen Anomalien sind sogenannte relativistische Effekte. Die sorgen dafür, dass sich chemische Eigenschaften ändern. Das Element 118 zum Beispiel, erläutert Physik-Professor Block, müsste eigentlich ein Edelgas sein. Berechnungen sagen allerdings vorher, dass es bei Raumtemperatur aber tatsächlich ein Festkörper wäre.

Auf der Suche nach der "Insel der Stabilität"

Und dann gibt es noch eine Schwierigkeit bei der Suche nach neuen Elementen: Denn da ist ja noch das Problem des Zerfalls der Transurane. Mit Elementen, die nur den Bruchteil einer Sekunde existieren, kann kaum jemand etwas anfangen.

Eine Person steht in weißem Kittel an einer großen technischen Anlage mit vielen Kabeln - der Ionenfalle SHIPTRAP.
Die Ionenfalle im Darmstädter Forschungszentrum des Helmholtzzentrums. Bildrechte: J. Hosan/GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung

Doch da macht ein Nobelpreisträger Hoffnung: Chemiker Glenn Seaborg sagte 1969 vorher, dass es bei den Transuranen "Inseln der Stabilität" geben könnte. Das heißt, dass Atomkerne mit höheren Ordnungszahlen wieder stabil sein könnten und nicht sofort zerfallen. Physiker vermuten, dass die Elemente 120 bis 126 mögliche Kandidaten dafür sein könnten. Allerdings ist es eine erhebliche technische und zeitliche Herausforderung, sie mithilfe von Kernfusion herzustellen. Eine zweite solche "Insel der Stabilität" wird um die Ordnungszahl 164 vermutet. Sollte es so große stabile Atomkerne wirklich geben, hätten die sicherlich sehr exotische Eigenschaften, sagen Physiker.

Genau rausfinden will das unter anderem der russische Kernphysiker Juri Oganesjan. Auch er hat bereits Elemente entdeckt, Nummer 118 ist sogar nach ihm benannt worden. Möglich machen soll das eine brandneue Teilchenbeschleuniger-Anlage, die erst vor wenigen Wochen in Betrieb genommen wurde: SHEF - kurz für "Super Heavy Element Factory". Sie soll zumindest die technischen Hürden nehmen.

Wahrscheinlich wird es ein bis zwei Jahre Forschung brauchen, um 119 oder 120 zu erzeugen, schätzt Physiker Block. Deshalb sucht er selbst derzeit auch nicht nach neuen Elementen. Denn er habe derzeit weit weniger Experimentierzeit, weil auch in Darmstadt an einer neuen Anlage gebaut wird: ein neuer, ringförmiger Schwerionenbeschleuniger namens FAIR. Damit wollen die Forscher unter anderem Materie im Labor erzeugen und erforschen, wie sie sonst nur unter extremen Bedingungen im Universum vorkommt, etwa beim Urknall oder innerhalb von Sternen.

Dem GSI zufolge wird das Herzstück ein unterirdischer Ringbeschleuniger mit 1.100 Metern Umfang sein. Der verlaufe in einem unterirdischen Tunnel bis zu 17 Meter unter der Erde. Damit können dann Ionen aller natürlichen Elemente des Periodensystems bis auf 99 Ptrozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, heißt es weiter. 2025 soll die Anlage in Betrieb genommen werden.

Die Forscher am GSI nähern sich inzwischen auf andere Weise den möglichen "Inseln der Stabilität". Indem sie den bekannten Elementen mehr Neutronen zuführen, versuchen sie stabilere Isotope zu bilden - also dafür zu sorgen, dass die Elemente länger halten. Dann lassen sich auch ihre chemischen Eigenschaften besser untersuchen.

Stadt, Land, Fluss: Die Elemente und ihre Namen

Ob Russland, Japan oder die USA: Wenn Forscher künftig neue Elemente finden sollten, könnte dann ja auch noch einmal über das Lemmium - benannt nach Motörhead-Sänger Lemmy Kilmister - nachgedacht werden. Denn ungewöhnliche Namen für die Elemente gibt es schon einige. Nach berühmten Wissenschaftlern wurden zum Beispiel einige benannt: das Einsteinium nach Albert Einstein oder das Röntgenium nach Wilhelm Conrad Röntgen. Und auch Orte, Länder und Flüsse haben es schon ins Periodensystem geschafft - so wie etwa das nach Darmstadt benannte Darmstadium, das Hassium - vom lateinischen Hassia für Hessen oder Rhenium, was dem Rhein seinen Namen verdankt. Aber auch ganze Länder wie etwa Frankreich (Francium), Japan (Nihonium) oder Polen (Polonium) waren bereits Namensgeber für die Elemente des Periodensystems.

Dieses Thema im Programm: MDR AKTUELL Radio | 12. Februar 2019 | 16:20 Uhr

Zuletzt aktualisiert: 02. September 2019, 15:48 Uhr