Oganesson (Element 118): Die Jagd nach dem schwersten Edelgas des Periodensystems

Autor: DerSchneider

Einleitung

Das Periodensystem der Elemente ist für viele ein unverrückbares Ordnungsschema der Materie. Doch seine äußersten Ränder – die schwersten, künstlich erzeugten Transurane – sind ein Laboratorium der Extreme. Hier verbiegen sich die Gesetze der klassischen Chemie unter dem Druck relativistischer Effekte, und jedes neu entdeckte Atom ist ein flüchtiger Gast, der nach Millisekunden wieder zerfällt. Element 118, bekannt als Oganesson (Og), bildet vorläufig den krönenden Abschluss der siebten Periode. Es ist das erste synthetische Element, das zu Lebzeiten des Namensgebers benannt wurde – eine Hommage an den russischen Kernphysiker Juri Oganessian. Dieser Artikel beleuchtet die technische Meisterleistung seiner Erzeugung, die historische Wettlauf-Situation hinter den schwersten Elementen und die überraschenden physikalischen Eigenschaften, die Oganesson von allen anderen Edelgasen unterscheiden.

1. Technikhistorischer Hintergrund: Vom Transuran zum „Insel der Stabilität“

1.1 Die Pioniere der Schwerionenfusion

Die Geschichte der schwersten Elemente beginnt nicht erst in Dubna, sondern in den 1940er Jahren mit der Synthese von Neptunium und Plutonium (Ordnungszahlen 93 und 94) durch Glenn Seaborg und sein Team. Mit jedem weiteren Element stieg die Herausforderung: Die Kerne werden immer instabiler, ihre Halbwertszeiten sinken ins Millisekunden-Bruchteil. Die klassische Neutroneneinfang-Methode versagte ab der Ordnungszahl 100 (Fermium). Ein neuer Ansatz war nötig: die Schwerionenfusion. Statt Neutronen zu schießen, beschleunigte man ganze Atomkerne (wie Calcium-48) auf ein Target aus einem schwereren Element. Diese Methode erlaubte den schrittweisen Aufbau superschwerer Kerne.

1.2 Der Wettlauf der Supermächte (1970–2000)

Während des Kalten Krieges entstand ein wissenschaftlicher Wettstreit zwischen dem Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) und dem Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna (UdSSR). Beide beanspruchten die Entdeckung verschiedener Transurane für sich – ein Streit, der erst in den 1990er Jahren durch die internationale IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) geschlichtet wurde. Für die Elemente 104–109 einigte man sich auf geteilte Namen, doch die schwersten Kerne (ab 113) blieben umkämpft. Erst 2015 erkannte die IUPAC die Entdeckung der Elemente 113 (Nihonium), 115 (Moscovium), 117 (Tenness) und 118 (Oganesson) durch das russisch-amerikanische Team aus Dubna und dem Livermore National Laboratory offiziell an.

1.3 Die Rolle von Juri Oganessian

Juri Oganessian (geb. 1933) entwickelte in Dubna eine Schlüsseltechnologie: den Zyklotron-basierten Gasgefüllten Separator. Dieses Gerät kann die winzigen Mengen superschwerer Ionen aus einem Strahl von Billionen Projektilen herausfiltern. Kein anderer Wissenschaftler hat mehr superschwere Elemente entdeckt oder benannt. Dass man ein Element zu seinen Lebzeiten nach ihm benannte – eine seltene Ehre (nur Seaborg geschah dies zuvor) – unterstreicht seine Bedeutung.

2. Die Herstellung von Oganesson-294: Technik im Detail

Die Reaktion, die zum ersten Nachweis von Oganesson führte, ist eine Meisterleistung der Strahlenphysik und Detektionstechnik.

2.1 Die Kernreaktion

$${}_{98}^{249}\text{Cf }+{}_{20}^{48}\text{Ca }⟶{}_{118}^{294}\text{Og }+3n$$98249​Cf + 2048​Ca ⟶ 118294​Og + 3n

• Target: Californium-249 (ca. 300 µg, auf einer dünnen Titanfolie aufgedampft)
• Projektil: Calcium-48 (ein seltener, neutronenreicher Isotop, der preiswerte „neutronenarme“ Calcium-40 deutlich überlegen ist, da er mehr Neutronen für die Stabilität des Endkerns liefert)
• Beschleuniger: U-400-Zyklotron in Dubna, das Calcium-Ionen auf etwa 10 % der Lichtgeschwindigkeit (≈ 30.000 km/s) beschleunigt.
• Strahlintensität: ca. $3\times {10}^{12}$3×1012 Teilchen pro Sekunde.

2.2 Die Herausforderung der Fusionswahrscheinlichkeit

Die elektrostatische Abstoßung zwischen den beiden positiv geladenen Kernen ist enorm. Nur bei einem sehr präzise abgestimmten Energiebereich („Coulombbarriere“) verschmelzen die Kerne, anstatt sich abzustoßen. Die Wahrscheinlichkeit für ein einziges Fusionsereignis liegt bei etwa 1×10−191×10−19 – also bei einem Treffer pro 10 Trillionen Projektilen. Entsprechend dauerte der erste erfolgreiche Beschuss (2002) über mehrere Monate.

2.3 Detektion: Der „DUBNA Gas-Filled Recoil Separator“

Nach der Fusion fliegt das frisch gebildete Oganesson-Atom mit großer Geschwindigkeit aus dem Target. Ein starkes Magnetsystem (der Separator) lenkt die Ionen nach ihrer Masse und Ladung auf einen Silizium-Detektor. Dort wird das Atom gestoppt und zerfällt innerhalb von Millisekunden. Die Detektion des Alpha-Zerfalls sowie die Identifikation der Tochterkerne (Livermorium-290, dann weiter) liefern den eindeutigen „Fingerabdruck“ (siehe Tabelle).

Zerfallskette von Oganesson-294 (gemessen):

(Die Kette endet nach mehreren Schritten in spontaner Spaltung oder bei stabileren Isotopen.)

3. Physikalische und chemische Eigenschaften (theoretisch)

Da keine makroskopische Menge existiert (bisher wurden insgesamt weniger als 10 Oganesson-Atome nachgewiesen), beruht fast alles, was wir über seine Eigenschaften wissen, auf relativistischen Quantenrechnungen. Diese Vorhersagen sind spektakulär:

3.1 Relativistische Effekte – Der Tod des Edelgascharakters

Die äußeren Elektronen von Oganesson bewegen sich mit einem signifikanten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. Dadurch kontrahieren die 7s- und 7p-Orbitale (sog. Spin-Bahn-Kopplung). Die Folge: Die Ionisierungsenergie ist niedriger als erwartet – niedriger als bei Radon und sogar niedriger als bei einigen Metallen. Oganesson könnte daher chemische Verbindungen eingehen, zum Beispiel mit Fluor zu OgF₂ oder OgF₄, ähnlich wie die schweren Chalkogene. Es wäre damit kein Edelgas im klassischen Sinne.

3.2 Aggregatzustand und Dichte

• Siedepunkt (vorhergesagt): ca. 350 K (77 °C) – wäre bei Raumtemperatur also gasförmig, doch die starken Van-der-Waals-Kräfte bewirken, dass es unter Normalbedingungen fest sein dürfte.
• Dichte (fest): um 7 g/cm³ – das ist etwa vergleichbar mit Zink oder Messing, also im Bereich eines Metalls.

3.3 Vergleich der Edelgase (Tabelle)

4. Kontroversen und offene Fragen

4.1 Anerkennung der Entdeckung

Zwischen 1999 und 2001 gab es einen betrügerischen Bericht aus Berkeley (USA), der die Synthese von Element 118 behauptete. Die Daten wurden 2002 zurückgezogen, was das Vertrauen in die Schwerionenforschung erschütterte. Erst die unabhängige Bestätigung durch Dubna/Livermore 2005 – mit einer vierfach längeren Zerfallskette – führte zur offiziellen Anerkennung.

4.2 Die „Insel der Stabilität“

Theoretiker sagen voraus, dass es jenseits von Oganesson möglicherweise superschwere Kerne mit magischen Neutronenzahlen (184 oder 196) gibt, die Halbwertszeiten von Minuten, Tagen oder sogar Millionen Jahren erreichen könnten – die sogenannte Insel der Stabilität. Oganesson selbst liegt am Rande dieser Insel; sein Nachbar ${}^{293}$293Og oder ein noch schwereres Isotop könnte deutlich stabiler sein. Die Suche danach ist eines der großen Ziele der modernen Kernphysik.

4.3 Experimentelle Grenzen

Die Herstellung von Oganesson erfordert Californium-249, das nur in winzigen Mengen aus der Bestrahlung von Plutonium in Hochflussreaktoren gewonnen wird. Noch schwerere Elemente (119, 120) bräuchten andere Targetmaterialien wie Einsteinium oder Fermium, die praktisch nicht in ausreichender Menge verfügbar sind. Dies setzt der Herstellung neuer Elemente mit heutiger Technik enge Grenzen.

5. Fazit und Ausblick

Oganesson ist mehr als nur eine Fußnote im Periodensystem. Es ist das Ergebnis eines jahrzehntelangen technologischen Wettlaufs, ein Prüfstein für relativistische Quantenchemie und ein möglicher Schlüssel zur legendären „Insel der Stabilität“. Seine angebliche Reaktivität stürzt das klassische Bild der inerten Edelgase. Allerdings bleibt vieles spekulativ: Die Halbwertszeiten sind so kurz, dass man selbst mit leistungsfähigeren Beschleunigern niemals eine sichtbare Menge wird herstellen können. Die Forschung konzentriert sich daher auf die Verbesserung von Nachweisverfahren (z. B. Ionenfallen, laserbasierte Spektroskopie) und die Suche nach langlebigeren Isotopen mit Neutronenzahlen nahe 184.

Für die Technikgeschichte ist Oganesson ein Lehrstück über internationale Kooperation (trotz politischer Spannungen), über die Bedeutung von Großgeräten (Zyklotrone, Teilchendetektoren) und über die Grenzen des machbaren. Vielleicht wird es nie eine technische Anwendung geben – aber es zwingt uns, unsere grundlegenden physikalischen Theorien immer wieder zu überprüfen.

Quellen

• Oganessian, Yu. Ts. et al. (2006): „Synthesis of the isotopes of elements 118 and 116 in the ${}^{249}$249Cf and ${}^{245}$245Cm + ${}^{48}$48Ca fusion reactions“. Physical Review C, 74(4), 044602.
• IUPAC (2016): „Discovery and assignment of elements with atomic numbers 113, 115, 117 and 118“. Pure and Applied Chemistry, 88(12), 1225–1229.
• Schwerdtfeger, P.; Smits, O. R.; Pyykkö, P. (2020): „The periodic table and the physics that drives it“. Nature Reviews Chemistry, 4, 359–380.
• Hofmann, S. (2019): „The discovery of superheavy elements“. Nuclear Physics A, 944, 114–138.