Roentgenium — synthetisches Schwer-Element 111 in der Periode 7
Element 111 wurde 1994 in Darmstadt erzeugt, lebt nur Sekunden und trägt seit 2004 den Namen Wilhelm Conrad Röntgens — ein Porträt.
Roentgenium, Element-Symbol Rg, Ordnungszahl 111, ist kein Werkstoff — es ist ein Stoff, der für Bruchteile einer Sekunde existiert, in Detektoren registriert wird und danach in eine Kaskade leichterer Elemente zerfällt. Es ist eines der zehn superschweren Elemente jenseits des Seaborgiums, und es trägt den Namen jenes Würzburger Physikers, dessen Strahlenentdeckung von 1895 die Physik des 20. Jahrhunderts strukturierte. Dieses Porträt ordnet Entdeckung, Eigenschaften und Stellung im Periodensystem.
Die Entdeckung am 8. Dezember 1994
Roentgenium wurde am 8. Dezember 1994 am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung in Darmstadt erzeugt. Die Arbeitsgruppe um Sigurd Hofmann beschoss ein Bismut-209-Target mit Nickel-64-Ionen, beschleunigt im UNILAC-Linearbeschleuniger auf etwa 5 MeV pro Nukleon. Die Fusionsreaktion lieferte das Isotop Rg-272 (zunächst noch als Unununium-272 notiert) unter Emission eines einzelnen Neutrons:
²⁰⁹Bi + ⁶⁴Ni → ²⁷²Rg + n
In den ersten Experimenten wurden drei Atome registriert. Jedes wurde nach wenigen Millisekunden über die emittierten Alpha-Zerfälle identifiziert: Rg-272 zerfällt in einer charakteristischen Kette über Meitnerium-268, Bohrium-264, Dubnium-260 zu einer detektierbaren Endkonfiguration. Die Eindeutigkeit dieser Zerfallsketten gilt in der GSI-Methodologie als Existenz-Nachweis.
Vom Unununium zum Roentgenium
Nach der 1979 von der IUPAC eingeführten provisorischen Nomenklatur trug Element 111 zunächst den lateinisch-systematischen Namen „Unununium” mit dem Symbol Uuu (eins-eins-eins). Erst nach mehrjähriger Bestätigung der GSI-Daten und nach Reproduktion der Synthese am RIKEN-Beschleunigerzentrum in Japan akzeptierte die IUPAC 2003 die Priorität der Darmstädter Gruppe. Am 1. November 2004 wurde der heutige Name offiziell:
- Name: Roentgenium
- Symbol: Rg
- benannt nach: Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923)
- Anlass: Entdeckung der X-Strahlen im November 1895 in Würzburg
Die 16-jährige Wartezeit zwischen Synthese und IUPAC-Naming entspricht dem Verfahren für transuranische Elemente: erst muss das Joint Working Party von IUPAC und IUPAP die Existenz unabhängig anerkennen, dann darf das Entdeckerlabor einen Namensvorschlag einreichen.
Eigenschaften: gemessen und geschätzt
Mit Halbwertszeiten zwischen einigen Millisekunden (für leichtere Rg-Isotope) und höchstens etwa 26 Sekunden für Rg-282 ist eine direkte chemische Charakterisierung bisher nicht gelungen. Alle Stoff-Daten sind entweder aus den Zerfallsketten extrahiert oder durch relativistische Dichtefunktional-Rechnungen geschätzt.
| Größe | Wert | Quelle |
|---|---|---|
| Ordnungszahl Z | 111 | gemessen |
| stabilstes Isotop | Rg-282 | gemessen |
| Halbwertszeit Rg-282 | ≈ 26 s | gemessen |
| Halbwertszeit Rg-272 | ≈ 4,2 ms | gemessen |
| Atom-Masse (Rg-282) | 282 u | gemessen |
| Elektron-Konfiguration | [Rn] 5f¹⁴ 6d⁹ 7s² | berechnet |
| Dichte | ≈ 28,7 g/cm³ | berechnet |
| Schmelzpunkt | unbekannt | nicht messbar |
Eine Dichte von 28,7 g/cm³ — falls bestätigt — würde Roentgenium zum dichtesten bekannten Element machen, deutlich über Osmium (22,59 g/cm³) und Iridium (22,56 g/cm³). Die berechnete Elektronen-Konfiguration [Rn] 5f¹⁴ 6d⁹ 7s² folgt nicht dem einfachen Aufbau-Prinzip; ähnliche Anomalien treten bei den leichteren Gruppe-11-Elementen Kupfer, Silber und Gold auf, deren tatsächliche Konfiguration [Edelgas] (n-1)d¹⁰ ns¹ lautet. Ob Rg dem gleichen Muster folgt oder die [Rn] 5f¹⁴ 6d⁹ 7s²-Konfiguration durch relativistische Effekte stabilisiert wird, ist offen.
Stellung im Periodensystem
Roentgenium gehört zur Gruppe 11, also der Familie der Münzmetalle. Über ihm im Periodensystem stehen:
- Kupfer (Cu, Z = 29) — Periode 4
- Silber (Ag, Z = 47) — Periode 5
- Gold (Au, Z = 79) — Periode 6
- Roentgenium (Rg, Z = 111) — Periode 7
Diese Gruppen-Zuordnung ist nicht trivial. Bei superschweren Elementen werden die Eigenschaften zunehmend von relativistischen Effekten der innersten Elektronen geprägt: die 1s-Elektronen erreichen Geschwindigkeiten in der Größenordnung der Lichtgeschwindigkeit, was die effektiven Atom-Orbitale kontrahiert und expandiert. Bei Gold sind diese Effekte für die charakteristische gelbe Farbe verantwortlich; bei Roentgenium werden sie vermutlich noch deutlicher sein. Theoretische Arbeiten von Pekka Pyykkö und anderen sagen voraus, dass Rg in der Oxidationsstufe +3 und +5 stabil sein könnte — also nicht primär +1 wie Silber, sondern eher analog zu Gold (+1, +3) mit zusätzlicher Stabilisierung höherer Oxidationsstufen.
Forschung und Verwendung
Roentgenium hat keine technische Verwendung und wird auch keine bekommen. Die weltweit produzierte Gesamtmenge beträgt wenige Dutzend Atome, kumuliert über 30 Jahre Beschleunigerzeit an GSI, RIKEN, JINR in Dubna und am Lawrence Berkeley National Laboratory. Sein Wert liegt in der Grundlagenforschung:
- Test der Schalenmodelle — Rg liegt nahe an der theoretisch vorhergesagten „Insel der Stabilität” um Z ≈ 114, N ≈ 184. Jeder gemessene Halbwertszeit-Wert prüft die Vorhersagen.
- Relativistische Quantenchemie — die hypothetischen Eigenschaften erlauben den Vergleich mit relativistischen ab-initio-Methoden.
- Synthese-Methodik — die Reaktion ²⁰⁹Bi + ⁶⁴Ni → ²⁷²Rg + n ist Standard für die „kalte Fusion” bei der Erzeugung superschwerer Elemente.
Eine Bereitstellung in chemisch nutzbarer Menge ist physikalisch ausgeschlossen: der höchste je gemessene Wirkungsquerschnitt der Bildungs-Reaktion liegt bei etwa 3,5 Pikobarn — ein Atom Rg pro mehreren Wochen Bestrahlungs-Zeit. Selbst der Wartungs-Aufwand eines Schwerionen-Beschleunigers übersteigt die zu erwartenden Ausbeuten um viele Größenordnungen.
Was Rg über Chemie sagt
Roentgenium markiert eine Grenze: die Grenze zwischen Chemie als Stoffwissenschaft und Chemie als Physik der Einzel-Atome. Die Methoden, mit denen Rg charakterisiert wird — Detektor-Arrays, Alpha-Spektroskopie, milli- und mikrosekunden-aufgelöste Koinzidenz-Messungen — sind diejenigen der Kernphysik. Dennoch ist Rg ein Element im chemischen Sinn: es hat eine Ordnungszahl, eine Position im Periodensystem, eine erwartete Valenz-Konfiguration. Dass es nach Wilhelm Conrad Röntgen benannt wurde, dessen Strahlen-Entdeckung 1895 die Grundlage für die Detektoren legte, mit denen 1994 Rg-272 nachgewiesen wurde, schließt einen Bogen über fast genau ein Jahrhundert.