Am 1. November 1952 legte ein Team amerikanischer Wissenschaftler, die für das US-Militär arbeiteten, den Schalter für ein seltsames dreistöckiges Gebäude mit dem Codenamen "Ivy Mike" um. Es war die erste Wasserstoffbombe der Welt , eine neue Generation von Atomwaffen, die 700 Mal stärker war als die Atombomben, die auf Japan abgeworfen wurden.
Der Bombentest fand auf einem winzigen Atoll namens Eniwetok auf den Marshallinseln im Südpazifik statt. Bei der Detonation von Ivy Mike wurden 10,4 Megatonnen Sprengkraft freigesetzt , was ungefähr 10,4 Millionen TNT-Sticks entspricht. Zum Vergleich: Die auf Hiroshima abgeworfene Bombe produzierte nur 15 Kilotonnen (15.000 TNT-Sticks).
Die Explosion verdampfte das Eniwetok-Atoll vollständig und erzeugte eine 4,8 Kilometer breite Pilzwolke. Arbeiter in Schutzanzügen sammelten Fallout-Material von einer Nachbarinsel und schickten es zur Analyse an das Berkeley Lab in Kalifornien (jetzt Lawrence Berkeley National Laboratory). Dort isolierte ein Team von Forschern des Manhattan-Projekts unter der Leitung von Albert Ghiorso nur 200 Atome eines brandneuen Elements mit 99 Protonen und 99 Elektronen.
1955 gaben die Forscher ihre Entdeckung der Welt bekannt und benannten sie nach ihrem wissenschaftlichen Helden: Einsteinium.
Groß und instabil
Einsteinium belegt die Atomnummer 99 des Periodensystems zusammen mit anderen sehr schweren und radioaktiven Elementen wie Californium und Berkelium. Einige radioaktive Elemente, insbesondere Uran, existieren in bedeutenden Mengen in der Erdkruste (bei 2,8 Teilen pro Million gibt es mehr Uran unter der Erde als Gold ). Aber auch schwerere Elemente, darunter Einsteinium, können nur künstlich erzeugt werden, indem man eine Wasserstoffbombe explodiert oder in einem Reaktor subatomare Teilchen zusammenschmettert.
Was macht ein Element radioaktiv? Im Fall von Einsteinium und seinen Nachbarn am unteren Ende des Periodensystems ist es die schiere Größe ihrer Atome, erklärt Joseph Glajch, ein pharmazeutischer Chemiker, der sich intensiv mit anderen radioaktiven Elementen für die medizinische Bildgebung beschäftigt hat.
„Wenn Elemente eine bestimmte Größe erreichen, wird der Atomkern so groß, dass er zerfällt“, sagt Glajch. "Was passiert, ist, dass es Neutronen und/oder Protonen und Elektronen ausspuckt und in einen niedrigeren elementaren Zustand zerfällt."
Wenn radioaktive Elemente zerfallen, stoßen sie Cluster von subatomaren Teilchen ab, die die Form von Alphateilchen, Betateilchen, Gammastrahlen und anderer Strahlung annehmen. Einige Arten von Strahlung sind relativ harmlos, während andere menschliche Zellen und DNA schädigen können.
Eine kurze „Haltbarkeit“
Wenn radioaktive Elemente zerfallen, bilden sie auch verschiedene Isotope mit unterschiedlichen Atomgewichten. Das Atomgewicht eines Elements wird berechnet, indem die Anzahl der Neutronen im Kern zur Anzahl der Protonen addiert wird. Zum Beispiel war das 1952 im Südpazifik gesammelte Einsteinium ein Isotop namens Einsteinium-253 mit 99 Protonen und 154 Neutronen.
Aber Isotope halten nicht ewig. Sie haben jeweils eine andere " Halbwertszeit ", das ist die geschätzte Zeit, in der die Hälfte des Materials in ein neues Isotop oder ein insgesamt niedrigeres Element zerfällt. Einsteinium-253 hat eine Halbwertszeit von nur 20,5 Tagen . Uran-238 hingegen, das am häufigsten in der Natur vorkommende Uranisotop, hat eine Halbwertszeit von 4,46 Milliarden Jahren.
Eine der Schwierigkeiten bei der Synthese schwerer radioaktiver Elemente wie Einsteinium im Labor (und mit Labor meinen wir hochspezialisierte Kernreaktoren) ist, dass große Elemente sehr schnell zu zerfallen beginnen.
„Wenn man immer größere Elemente und Isotope erzeugt, wird es immer schwieriger, sie lange genug in der Nähe zu halten, um sie zu sehen“, sagt Glajch.
Großer Durchbruch im kleinen Maßstab
Deshalb gab es in der Chemiewelt kürzlich so viel Aufregung, als ein Team von Wissenschaftlern erfolgreich eine Probe des kurzlebigen Einsteiniums lange genug festhielt, um einige der chemischen Eigenschaften dieses ultraseltenen Elements zu messen.
Die Wissenschaftler unter der Leitung von Rebecca Arbergel vom Lawrence Berkeley National Laboratory warteten geduldig auf eine winzige Probe von Einsteinium-254, die vom Oak Ridge National Laboratory in Tennessee produziert wurde. Die Probe wog 250 Nanogramm oder 250 Milliardstel Gramm und hatte eine Halbwertszeit von 276 Tagen. Als die COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 ausbrach, wurde die Forschung monatelang an den Rand gedrängt, in der alle 30 Tage 7 Prozent der Probe abgebaut wurden.
Abergels Durchbruch kam mit der Schaffung einer molekularen "Klaue", die ein einzelnes Einsteinium-254-Atom lange genug an Ort und Stelle halten konnte, um Dinge wie die Länge seiner molekularen Bindungen zu messen und bei welcher Wellenlänge es Licht emittiert. Beide Messungen sind entscheidend, um zu verstehen, wie Einsteinium und seine schweren Verwandten möglicherweise für Dinge wie die Krebsbehandlung verwendet werden könnten.
Das ist jetzt cool
Einsteinium eingeschlossen, hat der Nuklearwissenschaftler Albert Ghiorso durch seine bahnbrechenden Arbeiten in der Strahlenanalyse der 1950er bis 1970er Jahre rekordverdächtige 12 Elemente des Periodensystems mitentdeckt.
