Chemie mit. Christoph E. Düllmann

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1 Chemie mit einem Atom Christoph E. Düllmann Johannes Gutenberg-Universiät Mainz GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH, Darmstadt Helmholtz-Institut Mainz Physik am Samstagmorgen MPI für Kernphysik, Heidelberg, 14. Januar 2012

2 Was ist Chemie?

3 Was ist Chemie? Duden: Lehre von den Stoffen und ihren Verbindungen. Wikipedia: Die Chemie ist eine Naturwissenschaft, in der der Aufbau, die Eigenschaften und die Umwandlung von Substanzen (d.h. Elemente und Verbindungen) untersucht werden. Insbesondere werden in der Chemie Vorgänge untersucht, die in der Elektronenhülle von Atomen stattfinden. Mortimer (Lehrbuch der Chemie): Chemie ist die Wissenschaft, die sich mit der Charakterisierung, Zusammensetzung und Umwandlung von Stoffen befasst.

4 Das Periodensystem der Elemente H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe * Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn " Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

5 Das Periodensystem der Elemente H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe * Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn " Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

6 Der Aufbau der Atome Proton Neutron Elektron Kern Elektronenhülle Protonenzahl (Ordnungszahl): Z Neutronenzahl: N In Wirklichkeit: Kern ~10 000x kleiner Massezahl: N+Z A als das ganze Atom!

7 Der Aufbau der Atome Proton Neutron Elektron Kern Elektronenhülle Chemie Protonenzahl (Ordnungszahl): Z Neutronenzahl: N In Wirklichkeit: Kern ~10 000x kleiner Massezahl: N+Z A als das ganze Atom!

8 Das Periodensystem der Elemente H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Superschwere Elemente ( 104) * Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn " Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Alle künstlichen Elemente zerfallen: Die Atomkerne ihrer Atome sind instabil / radioaktiv

9 Halbwertszeiten der langlebigsten bekannten Isotope der Elemente mit Z 90 1 Mio. a ] T /2 [s 1/ 1 a 1 d 1 s Superschwere Elemente ( 104) Z Beispiel: Element 114 Je schwerer die Atome, desto kurzlebiger sind sie. Elemente jenseits des Urans (Z=92) existieren nicht in der Natur

10 Künstliche Produktion schwerer Elemente Beispiel: Ca Pu n 48 Ca 244 Pu FUSION * Projektile auf Target Atom

11 "Elementsyntese" auf YouTube

12 Wo kann man superschwere ere Elemente produzieren?

13 GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Mitarbeiter: Externe Wissenschaftler: 1000 Großgeräte: Beschleuniger und Experimente

14 Schwerionenbeschleuniger bei GSI UNIversal Linear ACcelerator UNILAC Ionenquelle Terminal Nord MEVVA or MUCIS Ionenquelle Terminal Süd PIG

15 Der Linearbeschleuniger Beschleunigungsprinzip g p _ GSI Öffentlichkeitsarbeit

16 Rc

17 Rc 1505; 2f18

18 Rc 259; 2f11

19 GSI heute UNILAC SIS 18 FAIR SIS 100/300 ESR CBM Super HESR FRS 100 m RES RCR PP / AP NES R FLAIR FAIR: Höhere Energie Höhere Intensität Antiprotonen GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung mbh Facility for Antiproton and Ion Research...

20 Schwerelementeforschung an der GSI ECR + UNILAC Stabile Targets SHIP SHIPTRAP Strahl Actiniden Targets TASCA TASISpec Chemie Chemie Theorie

21 Produktion und Isolation von Element 114 Strahl Gas: He+Ar TASCA TransActinide Separator and Chemistry Apparatus Target Zur Chemieapparatur COMPACT

22 ...

23 ... Targetkammer Seitenansicht 48Ca-Strahl Ch.E. Düllmann Superheavy element research at GSI TAN'11 Sochi, Russia September 05-11, 2011

24 ... Targetkammer Seitenansicht 48Ca-Strahl Ch.E. Düllmann Superheavy element research at GSI TAN'11 Sochi, Russia September 05-11, 2011

25 Wie untersucht man chemische Eigenschaften eines einzelnen Atoms?

26 Trends im Periodensystem us Ato omradi Ionisationsenergie H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe * Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn " Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Cn Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Atomradius nergie Ionisa ationse

27 Alkalimetalle Trends im Periodensystem 14. Gruppe Edelgase H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe * Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn " Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Cn Mt Ds Rg * Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Grundprinzip: p Elemente in derselben Gruppe zeigen ähnliches chemisches Verhalten

28 Trends im Periodensystem Flüchtigkeit: Die Sublimationsenhalpie Sublimationsenthalpie B. Eichler, Kernenergie 19 (1976) 307 Element 114 sollte sehr leichtflüchtig sein! Ist es noch metallisch, oder schon edelgasähnlich?

29 Chemisches Gleichgewicht zwischen zwei Zuständen Makromenge 10 ~20 Atome Mikromenge 1 Atom Konz. 1 klein Konz. 2 gross K C [X] [X] 1 2 Konz. 1 0 oder 1 Konz. 2 1 oder 0

30 Chemie mit einzelnen Atomen Mikromenge 1 Atom W'keit. Konz. 1 0 klein oder 1 W'keit. Konz. 2 1 gross oder 0 J.P. Guillaumont et al., Radiochim. Acta 46 (1989) 169: 'Kinetic and thermodynamic aspects of tracer- scale and single atom chemistry' Konzentrationen Wahrscheinlichkeiten ist korrekt!

31 Chromatographische Methoden: Gasphasenchemie Laminarer Gasfluss Chromatographiekolonne Molekül in Zustand 1 (adsorbiert) Molekül in Zustand 2 (Gasphase) kein Transport Transport "Sitzzeit" an Oberfläche bestimmt Flugzeit durch Kolonne Verweildauer hängt ab von: Flüchtigkeit und Kolonnentemperatur

32 Gaschemie: Messen der Bindungsstärke 'Atom Oberfläche' Tempera atur [ C] Gasfluss Kolonnenlänge [cm] Temperat tur [ C] Gasfluss Kolonnenlänge lä [cm] Bei starker T a Wechselwirkung: Atom "sitzt" auf Oberfläche und zerfällt dort hoch Temperatur [ C] tief Rel. Ausbe eute [%]

33 TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA TASCA COMPACT 2 Konfiguration für das Studium der Chemie von Element 114 Element 114 Trajectory

34 TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA TASCA COMPACT 2 Konfiguration für das Studium der Chemie von Element 114 Element 114 Trajectory COMPACT I Isotherme Chromatographie (IC) Metalle (z.b. Pb; Hg) +21 C COMPACT II Thermochromatographie (TC) Cn Rn C -162 C

35 Experimenteller Aufbau: IC + TC COMPACT TASCA RTC COMPACT I (@ room temp) COMPACT COMPACT II (+21 to 160 C) A. Yakushev, 2010

36 Aktuelle theoretische Vorhersagen: Element 114 auf Goldoberfläche Cluster M n Au Top Hohlraum Eingebettete Cluster MAu n Au m Ad-atom Cluster Umgebung n=14 n=9 Brücke n = 16 n = m = 156 Vergrössern des Au-Clusters, bis das Ergebnis nicht mehr von der Grösse abhängt Vorhersage: Element 114 bildet Metallbindungen! Ist kein Edelgas! V. Pershina, "Electronic Structure and Chemistry of the Heaviest Elements" in Relativistic Methods for Chemists; Eds: Leszczynski/Ishikawa; Springer (2010) 451

37 TASCA Die Element 114 Chemie-Kollaboration TU Munich (D) A. Yakushev (Sprecher) J.M. Gates, A. Gorshkov, R. Graeger, A. Türler GSI Darmstadt (D) D. Ackermann, M. Block, W. Brüchle, Ch.E. Düllmann, H. Essel, J.M. Gates, W. Hartmann, F.P. Heßberger, A. Hübner, E. Jäger, J. Khuyagbaatar, B. Kindler, J. Krier, N. Kurz, B. Lommel, J. Runke, M. Schädel, B. Schausten, E. Schimpf, J. Steiner Univ. Mainz (D) HIM Mainz (D) Univ. Liverpool (UK) Ch.E. Düllmann, K. Eberhardt, M. Eibach, J. Even, D. Hild, J.V. Kratz, L.J. Niewisch, P. Thörle-Pospiech, N. Wiehl Ch.E. Düllmann, F.P. Heßberger L.-L. Andersson, R.-D. Herzberg, E. Parr LBNL/UC Berkeley (USA) J. Dvorak, H. Nitsche Univ. Lund (S) Univ. Oslo (N) IMP Lanzhou (PRC) U Jyväskylä ITE Warsaw (PL) U. Forsberg, D. Rudolph J.P. Omtvedt, A. Semchenkov Z. Qin J. Uusitalo M. Wegrzecki

38 Produktion von Element Pu( 48 Ca,3-4n) SF s s s s s Ds 277 Ds Cn 281 Cn 0.1 s Cn Cn 0.1ms 279 Ds 283 Cn 3.8 s SF 0.1 s 281 Ds Ds 6 ms 0.2 s 13 s SF N 29 s Signatur für Element 114: -SF - -SF Ketten

39 Das Experiment an der GSI -Dauer: 34 Tage (Rund um die Uhr) Ca-Ionen vom Beschleuniger auf das Target -Publikation mit 46 Coautoren aus 12 Forschungs- zentren in 8 Ländern in Vorbereitung Resultat: Beobachtung von 2 Atomen von Element 114 Experiment erfolgreich!

40 Ausblick der nächste Schritt für 114 Chemie Trennung von Pb und Hg with COMPACT 3 Ist E114 reaktiv genug, um auf SiO 2 (Quarz) zu adsorbieren? E114? E114? (falls reaktiv mit SiO 2 ) (falls nicht reaktiv mit SiO 2 ) Pb Hg Cn Rn SiO 2 Raumtemperatur (IC) Gold Raumtemperatur (IC) Gold Temperaturgradient bis C C(TC)

41 Zusammenfassung Elemente jenseits des Urans können künstlich erzeugt werden Sind radioaktiv, werden immer kurzlebiger, je grösser Z Superschwere Elemente: nur einzelne Atome Chemieexperimente: Gaschromatographie Element 114: Vorhersagen für Metall Edelgas Experiment (1 Monat): Beobachtung von 2 Atomen Resultat: Element 114 ist metallisch Offene Frage: eher Quecksilber- oder Blei-ähnlich?

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