www.superheavies.de c.e.duellmann@gsi.de 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
Was ist Chemie?
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.
Das Periodensystem der Elemente 2012 1 18 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 57+* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89+" 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) --- --- * 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Das Periodensystem der Elemente 2012 1 18 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 57+* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89+" 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) --- --- * 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
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!
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!
Das Periodensystem der Elemente 2012 1 18 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Superschwere Elemente ( 104) 55 56 57+* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89+" 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn --- (Fl) --- (Lv) --- --- * 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 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
Halbwertszeiten der langlebigsten bekannten Isotope der Elemente mit Z 90 1 Mio. a ] T /2 [s 1/ 1 a 1 d 1 s 10 18 10 15 10 12 10 9 10 6 10 3 10 0 10-3 10-6 Superschwere Elemente ( 104) 90 95 100 105 110 115 120 Z Beispiel: Element 114 Je schwerer die Atome, desto kurzlebiger sind sie. Elemente jenseits des Urans (Z=92) existieren nicht in der Natur
Künstliche Produktion schwerer Elemente Beispiel: 48 244 289 Ca Pu 114 3 20 94 114 1 0 n 48 Ca 244 Pu FUSION 292 114* 289 114 + + 1.8 10 17 1.1 10 18 1 Projektile auf Target Atom
"Elementsyntese" auf YouTube
Wo kann man superschwere ere Elemente produzieren?
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung Mitarbeiter: 1100 + Externe Wissenschaftler: 1000 Großgeräte: Beschleuniger und Experimente
Schwerionenbeschleuniger bei GSI UNIversal Linear ACcelerator UNILAC Ionenquelle Terminal Nord MEVVA or MUCIS Ionenquelle Terminal Süd PIG
Der Linearbeschleuniger Beschleunigungsprinzip g p + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - + _ GSI Öffentlichkeitsarbeit
Rc 2639-8-99
Rc 1505; 2f18
Rc 259; 2f11
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...
Schwerelementeforschung an der GSI ECR + UNILAC Stabile Targets SHIP SHIPTRAP Strahl Actiniden Targets TASCA TASISpec Chemie Chemie Theorie
Produktion und Isolation von Element 114 Strahl Gas: He+Ar TASCA TransActinide Separator and Chemistry Apparatus Target Zur Chemieapparatur COMPACT
... www.gsi.de/tasca
... Targetkammer Seitenansicht 48Ca-Strahl www.gsi.de/tasca Ch.E. Düllmann Superheavy element research at GSI TAN'11 Sochi, Russia September 05-11, 2011
... Targetkammer Seitenansicht 48Ca-Strahl www.gsi.de/tasca Ch.E. Düllmann Superheavy element research at GSI TAN'11 Sochi, Russia September 05-11, 2011
Wie untersucht man chemische Eigenschaften eines einzelnen Atoms?
Trends im Periodensystem us Ato omradi Ionisationsenergie 1 18 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 57+* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89+" 104 105 106 107 108 112 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs 109 110 111 Cn 113 114 115 116 117 118 Mt Ds Rg --- --- --- --- --- --- * 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Atomradius nergie Ionisa ationse
Alkalimetalle Trends im Periodensystem 14. Gruppe Edelgase 1 18 1 2 H 2 13 14 15 16 17 He 3 4 5 6 7 8 9 10 Li Be B C N O F Ne 11 12 13 14 15 16 17 18 Na Mg 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Al Si P S Cl Ar 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 55 56 57+* 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 87 88 89+" 104 105 106 107 108 112 Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs 109 110 111 Cn 113 114 115 116 117 118 Mt Ds Rg --- --- --- --- --- --- * 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu " 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Grundprinzip: p Elemente in derselben Gruppe zeigen ähnliches chemisches Verhalten
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?
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
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!
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
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 [%]
TransActinide Separator and Chemistry Apparatus TASCA TASCA COMPACT 2 Konfiguration für das Studium der Chemie von Element 114 Element 114 Trajectory
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... +21 C -162 C
Experimenteller Aufbau: IC + TC COMPACT 2 @ TASCA RTC COMPACT I (@ room temp) COMPACT COMPACT II (+21 to 160 C) A. Yakushev, 2010
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 = 34-36 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
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
Produktion von Element 114 244 Pu( 48 Ca,3-4n) SF 114 285 114 0.1 s 286 114 0.1 s 287 114 0.5 s 288 114 0.7 s 289 114 2.1 s Ds 277 Ds Cn 281 Cn 0.1 s 281 282 283 284 Cn 285 114 282 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
Das Experiment an der GSI -Dauer: 34 Tage (Rund um die Uhr) -4 10 18 48 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!
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 -160 160 C C(TC)
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?