Transurane

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Einleitung

Transurane, Sammelbezeichnung für die chemischen Elemente, deren Ordnungszahlen größer als 92 sind, d. h., diese Metalle stehen im Periodensystem rechts vom Uran.

Im Allgemeinen handelt es sich bei den Transuranen um künstlich erzeugbare Elemente – die Metalle Neptunium und Plutonium wurden auch in natürlich vorkommenden Erzen entdeckt. Im engeren Sinn gehören zu den Transuranen nur die Elemente mit den Ordnungszahlen 93 bis 103. Im weiteren Sinn lassen sich aber auch die Transactinoide mit den Ordnungszahlen 104 bis 112 sowie das Element 114 zu dieser Gruppe zählen. Die offiziellen Namen lauten der Reihe nach: Neptunium (Ordnungszahl 93; Symbol Np), Plutonium (Ordnungszahl 94; Symbol Pu), Americium (Ordnungszahl 95; Symbol Am), Curium (Ordnungszahl 96; Symbol Cm), Berkelium (Ordnungszahl 97; Symbol Bk), Californium (Ordnungszahl 98; Symbol Cf), Einsteinium (Ordnungszahl 99; Symbol Es), Fermium (Ordnungszahl 100; Symbol Fm), Mendelevium (Ordnungszahl 101; Symbol Md), Nobelium (Ordnungszahl 102; Symbol No), Lawrencium (Ordnungszahl 103; Symbol Lr) und ferner die Transactinoide Rutherfordium (Ordnungszahl 104; Symbol Rf), Dubnium (Ordnungszahl 105; Symbol Db), Seaborgium (Ordnungszahl 106; Symbol Sg), Bohrium (Ordnungszahl 107; Symbol Bh), Hassium (Ordnungszahl 108; Symbol Hs) und Meitnerium (Ordnungszahl 109; Symbol Mt) sowie Darmstadtium (Ordnungszahl 110; Symbol Ds) und Roentgenium (Ordnungszahl 111, Symbol Rg). Die Elemente 112 (1996 entdeckt) und 114 (1999 entdeckt) sowie die 2003 entdeckten Elemente 113 und 115 sind noch nicht benannt (zur Namensgebung siehe unten). Die wissenschaftlichen Namen dieser Transactinoide lauten Ununbium (112), Ununtrium (113), Ununquadium (114) und Ununpentium (115).

Die Transurane bilden über hundert verschiedene Isotope, die radioaktiv zerfallen. Diese Radioisotope lassen sich künstlich herstellen, beispielsweise durch den Beschuss von schweren Atomen mit Neutronen oder geladenen Teilchen. Neutronen entstehen in erster Linie in Kernreaktoren (siehe Kernenergie), lassen sich aber auch in Zyklotronen oder anderen Teilchenbeschleunigern produzieren. Die ersten zehn Transurane bilden zusammen mit Actinium, Thorium, Protactinium und Uran die so genannten Actinoide. In ihren chemischen Eigenschaften sind die Actinoide den Seltenerdmetallen (siehe Lanthanoidenreihe) sehr ähnlich.

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Spätere Entdeckungen

Zwischen 1964 und 1984 gaben Wissenschaftler aus den Vereinigten Staaten, Europa und der damaligen Sowjetunion die bestimmte oder versuchsweise Erzeugung sechs weiterer Transurane bekannt, die im Periodensystem auf Lawrencium – und damit auf die Actinoide – folgen. Das erste davon, das Element 104, wurde 1964 im Schwerionenzyklotron in Dubna bei Moskau erzeugt. Die Forschungsgruppe um den Kernphysiker Georgy Flerov beschoss ein Plutonium-Target (Pu 242) mit beschleunigten Neon-Ionen. Zu Ehren des russischen Physikers Igor Kurtschatov gab die russische Forschergruppe dem Element den Namen Kurtschatovium. Die Arbeitsgruppe des amerikanischen Wissenschaftlers Albert Ghiorso am Lawrence Berkeley Laboratory konnte allerdings diese Ergebnisse nicht bestätigen; sie erzeugten stattdessen das Element 104 im Jahr 1969 durch Beschuss von Californium mit Kohlenstoffatomen. Die Amerikaner schlugen für das Element 104 den Namen Rutherfordium vor (zum Thema Namensgebung siehe auch weiter unten).

Das Element 105 wurde 1968 ebenfalls in Dubna erzeugt, als man Americium mit Neon-Ionen bombardierte. Ghiorsos Gruppe erzielte 1970 ein ähnliches Ergebnis beim Beschuss von Californium mit Stickstoff-Ionen. Im Jahr 1974 stellte die Dubnaer Gruppe das Element 106 her, indem sie Bleiisotope mit beschleunigten Chrom-Ionen beschoss. Die Amerikaner erzeugten es im gleichen Jahr durch Beschuss von Californium mit Sauerstoff.

Die Erzeugung des Elements 107 wurde 1977 von der Forschungsgruppe in Dubna verkündet. Sie hatten dazu ein Bismut-Target und beschleunigte Chrom-Ionen verwendet, die Ergebnisse konnten allerdings bis jetzt noch nicht anderweitig bestätigt werden. Die Elemente 108 und 109 wurden 1984 bzw. 1982 in Deutschland von einem Forscherteam (P. Armbruster, G. Münzenberg, S. Hofmann) mit dem UNILAC-Beschleuniger der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt synthetisiert.

Einige Jahre lang gab es einen internationalen Wettstreit um die Namensgebung bezüglich dieser jüngsten Zugänge zum Periodensystem. Im Jahr 1980 legte die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) fest, dass das Element 104 und alle folgenden fortan einfach nach der lateinischen Entsprechung ihrer Ordnungszahl benannt werden sollten. Folglich hieß das Element 104 Unnilquadium (Ordnungszahl 104; Symbol Unq), das Element 105 Unnilpentium (Ordnungszahl 105; Symbol Unp) usw. Ende 1994 veröffentlichte eine Gruppe von Wissenschaftlern der GSI in Darmstadt die Entdeckung der Elemente 110 und 111, Darmstadtium und Roentgenium, sowie 1996 Nr. 112, Ununbium. Das Element 114 (Ununquadium) konnte 1999 auch von einem internationalen Team um Alexander Jeremin vom Forschungszentrum in Dubna hergestellt werden.

Bereits Anfang 1997 empfahl die IUPAC folgende Namen für die Elemente 104 bis 109: Rutherfordium (Ordnungszahl 104; Symbol Rf), Dubnium (Ordnungszahl 105; Symbol Db), Seaborgium (Ordnungszahl 106; Symbol Sg), Bohrium (Ordnungszahl 107; Symbol Bh), Hassium (Ordnungszahl 108; Symbol Hs) und Meitnerium (Ordnungszahl 109; Symbol Mt). Diese Empfehlung legte die IUPAC im August 1997 fest. Darmstadtium (Ordnungszahl 110; Symbol Ds) erhielt im August 2003 und Roentgenium (Ordnungszahl 111, Symbol Rg) im November 2004 seinen offiziellen Namen.

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Herstellung und Verwendung

Die Transurane tendieren dazu, mit steigender Ordnungszahl schneller radioaktiv zu zerfallen. Die sehr schweren Kerne der Transurane, z. B. Californium, neigen zum spontanen Zerfall. Deshalb ist es äußerst schwierig, größere Mengen von den Elementen herzustellen, die schwerer als Plutonium sind. Dieses Problem wurde in Angriff genommen, als man Uran und Plutonium mit sehr starken Neutronenströmen in Reaktoren bombardierte. Mitte der siebziger Jahre produzierte der Reaktor des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee (USA) jährlich einige Milligramm Berkelium, Californium und Einsteinium sowie kleinere Mengen an Fermium. Zusätzlich kann man spezifische Kernreaktionen, bei denen sehr starke Neutronenflüsse freigesetzt werden, dazu nutzen, die gegenwärtige Produktion der schweren Elemente Einsteinium und Fermium zu erhöhen. Sind erst einmal genügende Mengen an den schweren Elementen vorhanden, so könnte man Isotope wie Plutonium 238 und Curium 244 als extrem kompakte und zuverlässige (aber etwas teure) Energiequellen einsetzen, um die radioaktive Zerfallswärme mit entsprechender thermoelektrischer Ausrüstung direkt in Elektrizität umzuwandeln. Andere Isotope der Transurane, beispielsweise Americium 241 und Californium 252, kommen in Medizin und Technik zur Anwendung.

Siehe Atom; Elemente, chemische; Teilchenbeschleuniger