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Transuranelement, eines der chemischen Elemente, die im Periodensystem jenseits von Uran liegen, dh solche mit Ordnungszahlen größer als 92. 26 dieser Elemente wurden entdeckt und benannt oder warten auf Bestätigung ihrer Entdeckung. Elf von ihnen, von Neptunium bis Lawrencium, gehören zur Actinoid-Reihe. Die anderen, deren Ordnungszahlen höher als 103 sind, werden als Transactinoide bezeichnet. Alle Transuranelemente sind instabil und zerfallen radioaktiv. Die Halbwertszeiten reichen von zig Millionen Jahren bis zu Sekundenbruchteilen.
Da nur zwei der Transuranelemente in der Natur gefunden wurden (Neptunium und Plutonium) und diese nur in Spuren, war die Synthese dieser Elemente durch Kernreaktionen eine wichtige Wissensquelle über sie. Dieses Wissen hat das wissenschaftliche Verständnis der grundlegenden Struktur der Materie erweitert und ermöglicht es, die Existenz und die grundlegenden Eigenschaften von Elementen vorherzusagen, die viel schwerer sind als alle derzeit bekannten. Die vorliegende Theorie legt nahe, dass die maximale Ordnungszahl irgendwo zwischen 170 und 210 liegen könnte, wenn die nukleare Instabilität die Existenz solcher Elemente nicht ausschließen würde. Alle diese noch unbekannten Elemente sind in der Transurangruppe enthalten.
Entdeckung der ersten Transuranelemente
Der erste Versuch, ein Transuranelement herzustellen, wurde 1934 in Rom unternommen, wo ein Team italienischer Physiker unter der Leitung von Enrico Fermi und Emilio Segrè Urankerne mit freien Neutronen bombardierte. Obwohl möglicherweise Transuran-Arten produziert wurden, führte das Experiment eher zur Entdeckung der Kernspaltung als zu neuen Elementen. (Die deutschen Wissenschaftler Otto Hahn, Fritz Strassman und Lise Meitner zeigten, dass die von Fermi gefundenen Produkte leichtere, bekannte Elemente waren, die durch Spaltung oder Spaltung von Uran gebildet wurden.) Erst 1940 wurde ein Transuranelement erstmals positiv produziert und identifiziert, als Zwei amerikanische Physiker, Edwin Mattison McMillan und Philip Hauge Abelson, die an der University of California in Berkeley arbeiteten, setzten Uranoxid Neutronen eines Zyklotron-Targets aus. Eines der resultierenden Produkte war ein Element mit einer Ordnungszahl von 93. Es wurde Neptunium genannt.
Transformationen in Atomkernen werden durch Gleichungen dargestellt, die alle Materieteilchen und die Energie vor und nach der Reaktion ausgleichen. Die obige Umwandlung von Uran in Neptunium kann wie folgt geschrieben werden:
In der ersten Gleichung wird das Atomsymbol des jeweiligen Isotops, auf das reagiert wurde, in diesem Fall U für Uran, mit seiner Massenzahl oben links und seiner Ordnungszahl unten links angegeben: 238 92 U. Das Uran-238-Isotop reagiert mit a Neutron (symbolisiert n, mit seiner Massenzahl 1 oben links und seiner neutralen elektrischen Ladung als 0 unten links) zur Erzeugung von Uran-239 (239 92 U) und dem als Gammastrahl (γ) bezeichneten Energiequantum. In der nächsten Gleichung repräsentiert der Pfeil einen spontanen Verlust eines negativen Beta-Teilchens (symbolisiert durch β -), eines Elektrons mit sehr hoher Geschwindigkeit, aus dem Kern von Uran-239. Was passiert ist, ist, dass ein Neutron im Kern in ein Proton umgewandelt wurde, wobei ein Beta-Teilchen emittiert wird, das eine einzige negative Ladung abführt. Der resultierende Kern hat jetzt eine positivere Ladung als vor dem Ereignis und damit eine Ordnungszahl von 93. Da das Beta-Teilchen eine vernachlässigbare Masse hat, hat sich die Massenzahl des Kerns jedoch nicht geändert und beträgt immer noch 239. Die Der aus diesen Ereignissen resultierende Kern ist ein Isotop des Elements Neptunium, Ordnungszahl 93 und Massenzahl 239. Der obige Prozess wird als negativer Beta-Teilchenzerfall bezeichnet. Ein Kern kann auch ein Positron oder ein positives Elektron emittieren, wodurch ein Proton in ein Neutron umgewandelt und die positive Ladung um eins verringert wird (ohne jedoch die Massenzahl zu ändern). Dieser Prozess wird als positiver Beta-Partikel-Zerfall bezeichnet. Bei einer anderen Art des Beta-Zerfalls wird ein Kernproton in ein Neutron umgewandelt, wenn der Kern, anstatt ein Beta-Teilchen zu emittieren, eines der den Kern umlaufenden Elektronen "einfängt" oder absorbiert; Dieser Prozess des Elektroneneinfangs (EC-Zerfall) ist der Positronenemission in Transurankernen vorzuziehen.
Die Entdeckung des nächsten Elements nach Neptunium folgte schnell. 1941 produzierten und identifizierten drei amerikanische Chemiker, Glenn T. Seaborg, Joseph W. Kennedy und Arthur C. Wahl, das Element 94 mit dem Namen Plutonium (Pu). Nach weiteren Entdeckungen stellte Seaborg 1944 die Hypothese auf, dass eine neue Reihe von Elementen namens Actinoid-Reihe, ähnlich der Lanthanoid-Reihe (Elemente 58–71), hergestellt wurde und dass diese neue Reihe mit der Ordnungszahl Thorium (Th) begann 90. Danach wurden Entdeckungen gemäß dieser Hypothese gesucht und gemacht.
Synthese von Transuranelementen
Das am häufigsten vorkommende Isotop von Neptunium ist Neptunium-237. Neptunium-237 hat eine Halbwertszeit von 2,1 × 10 6 Jahren und zerfällt durch die Emission von Alpha-Partikeln. (Alpha-Teilchen bestehen aus zwei Neutronen und zwei Protonen und sind tatsächlich der sehr stabile Kern von Helium.) Neptunium-237 entsteht in Kilogramm-Mengen als Nebenprodukt der großtechnischen Produktion von Plutonium in Kernreaktoren. Dieses Isotop wird durch die Reaktion aus dem Reaktorbrennstoff Uran-235 synthetisiert
und aus Uran-238 von
Plutonium als Isotop Plutonium-239 wird durch die Sequenz in Tonnenmengen in Kernreaktoren hergestellt
Aufgrund seiner Fähigkeit, mit Neutronen aller Energien zu spalten, hat Plutonium-239 erhebliche praktische Anwendungen als Energiequelle in Atomwaffen und als Brennstoff in Kernkraftreaktoren.
Das bisher diskutierte Verfahren zur Elementherstellung war das des sukzessiven Einfangens von Neutronen, das aus der kontinuierlichen intensiven Bestrahlung mit langsamen (energiearmen) Neutronen eines Actinoid-Targets resultiert. Die Sequenz von Nukliden, die durch diesen Prozess in Kernreaktoren synthetisiert werden können, ist in der Abbildung dargestellt, in der die Lichtlinie den Hauptweg des Neutroneneinfangs (horizontale Pfeile) und des negativen Zerfalls der Beta-Partikel (Aufwärtspfeile) angibt, der nacheinander führt schwerere Elemente und höhere Ordnungszahlen. (Abwärtspfeile stellen den Zerfall der Elektroneneinfang dar.) Die schwereren Linien zeigen Nebenpfade, die den Hauptpfad erweitern. Der Hauptweg endet bei Fermium-257, da die kurze Halbwertszeit des nächsten Fermiumisotops (Fermium-258) - für den radioaktiven Zerfall durch spontane Spaltung (370 Mikrosekunden) - seine Produktion und die Produktion von Isotopen von Elementen jenseits von Fermium durch ausschließt das heisst.
Schwere Isotope einiger Transuranelemente werden auch bei nuklearen Explosionen erzeugt. Typischerweise wird in solchen Fällen ein Urantarget für einen Bruchteil einer Sekunde von einer hohen Anzahl schneller (energiereicher) Neutronen bombardiert, ein Prozess, der als Rapid-Neutron-Capture bekannt ist, oder der R-Prozess (im Gegensatz zum Slow-Neutron-Capture oder S-Prozess, wie oben beschrieben). Unterirdische Detonationen von nuklearen Sprengkörpern in den späten 1960er Jahren führten zur Produktion erheblicher Mengen von Einsteinium- und Fermiumisotopen, die durch Bergbautechniken und chemische Verarbeitung von Gesteinsabfällen getrennt wurden. Wiederum war das schwerste gefundene Isotop das von Fermium-257.
Eine wichtige Methode zur Synthese von Transuranisotopen besteht darin, Ziele mit schweren Elementen nicht mit Neutronen, sondern mit leicht geladenen Teilchen (wie den oben als Alpha-Teilchen erwähnten Heliumkernen) aus Beschleunigern zu bombardieren. Für die Synthese von Elementen, die schwerer als Mendelevium sind, wurden sogenannte Schwerionen (mit einer Ordnungszahl größer als 2 und einer Massenzahl größer als 5) für die Projektilkerne verwendet. Ziele und Projektile, die relativ reich an Neutronen sind, sind erforderlich, damit die resultierenden Kerne ausreichend hohe Neutronenzahlen aufweisen. Eine zu niedrige Neutronenzahl macht den Kern aufgrund seiner daraus resultierenden kurzen Halbwertszeit extrem instabil und nicht beobachtbar.
Die Elemente von Seaborgium bis Copernicium wurden unter Verwendung von "kalten" oder "weichen" Fusionsreaktionen synthetisiert und identifiziert (dh entdeckt). Bei dieser Art von Reaktion werden mittelschwere Projektile mit Protonen nahe 82 und Neutronen etwa 126 - dh nahe dem doppelt "magischen" Blei-208 - an Zielkerne fusioniert, was zu einem relativ "kalten" Verbindungssystem führt. Die Elemente von 113 bis 118 wurden unter Verwendung von "heißen" Fusionsreaktionen hergestellt, ähnlich den oben beschriebenen unter Verwendung von Alpha-Partikeln, bei denen ein relativ leichtes Projektil mit einem schwereren Actinoid kollidiert. Da die bei der Kaltfusion gebildeten Verbindungskerne niedrigere Anregungsenergien aufweisen als die bei der Heißfusion erzeugten, emittieren sie möglicherweise nur ein oder zwei Neutronen und haben daher eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, intakt zu bleiben, anstatt die konkurrierende sofortige Spaltreaktion einzugehen. (Bei der Heißfusion gebildete Kerne haben eine höhere Anregungsenergie und emittieren drei bis fünf Neutronen.) Kaltfusionsreaktionen wurden erstmals von Yuri Oganessian vom Joint Institute for Nuclear Research in Dubna in der UdSSR (jetzt) als Methode zur Synthese schwerer Elemente erkannt in Russland).
