Nobelium is a synthetic chemical element; it has symbolNo and atomic number 102. It is named after Alfred Nobel, the inventor of dynamite and benefactor of science. A radioactivemetal, it is the tenth transuranium element, the second transfermium, and is the fourteenth member of the actinide series. Like all elements with atomic number over 100, nobelium can only be produced in particle accelerators by bombarding lighter elements with charged particles. A total of twelve nobelium isotopes are known to exist; the most stable is 259No with a half-life of 58 minutes, but the shorter-lived 255No (half-life 3.1 minutes) is most commonly used in chemistry because it can be produced on a larger scale.
Chemistry experiments have confirmed that nobelium behaves as a heavier homolog to ytterbium in the periodic table. The chemical properties of nobelium are not completely known: they are mostly only known in aqueous solution. Before nobelium's discovery, it was predicted that it would show a stable +2 oxidation state as well as the +3 state characteristic of the other actinides; these predictions were later confirmed, as the +2 state is much more stable than the +3 state in aqueous solution and it is difficult to keep nobelium in the +3 state.
In den 1950er und 1960er Jahren beanspruchten zahlreiche Labore in Schweden , der Sowjetunion und den USA die Entdeckung des Nobeliums für sich. Obwohl die schwedischen Wissenschaftler ihre Ansprüche bald zurückzogen, war die Priorität der Entdeckung und damit die Benennung des Elements zwischen sowjetischen und amerikanischen Wissenschaftlern umstritten. Erst 1992 erkannte die Internationale Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) die Entdeckung dem sowjetischen Team an. Dennoch blieb der schwedische Name Nobelium aufgrund seiner langjährigen Verwendung in der Fachliteratur als Bezeichnung für das Element bestehen.
Einführung
Synthese von superschweren Atomkernen

Bei einer Kernreaktion , in der zwei Atomkerne unterschiedlicher Größe zu einem einzigen Kern verschmelzen , entsteht ein superschwerer Atomkern [ b ]. Je ungleicher die Massen der beiden Kerne sind , desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer solchen Reaktion. [ 13 ] Das aus den schwereren Kernen bestehende Material wird zu einem Target geformt und anschließend mit einem Strahl leichterer Kerne beschossen. Zwei Kerne können nur dann zu einem einzigen verschmelzen , wenn sie nahe genug beieinander liegen. Normalerweise stoßen sich die positiv geladenen Kerne aufgrund elektrostatischer Abstoßung ab . Die starke Wechselwirkung kann diese Abstoßung zwar überwinden, jedoch nur in unmittelbarer Nähe eines Kerns. Daher werden die Kerne im Strahl stark beschleunigt , um die Abstoßung im Vergleich zur Geschwindigkeit des Kerns vernachlässigbar zu machen. [ 14 ] Die zur Beschleunigung der Kerne im Strahl zugeführte Energie kann dazu führen, dass sie Geschwindigkeiten von bis zu einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit erreichen . Wird jedoch zu viel Energie zugeführt, kann der Strahlkern zerfallen. [ 14 ]
Eine bloße Annäherung zweier Atomkerne reicht nicht aus, um eine Fusion zu bewirken: Nähern sich zwei Kerne einander, bleiben sie üblicherweise etwa 10⁻²⁰ Sekunden lang zusammen und trennen sich dann wieder (nicht unbedingt in der gleichen Zusammensetzung wie vor der Reaktion), anstatt einen einzigen Kern zu bilden. [ 14 ] [ 15 ] Dies geschieht, weil die elektrostatische Abstoßung während des Versuchs, einen einzigen Kern zu bilden, den entstehenden Kern auseinanderreißt. [ 14 ] Jedes Paar aus Target und Strahl ist durch seinen Wirkungsquerschnitt charakterisiert – die Wahrscheinlichkeit, dass eine Fusion eintritt, wenn sich zwei Kerne einander annähern, ausgedrückt als die Querschnittsfläche, die das einfallende Teilchen treffen muss, damit die Fusion stattfindet. [ d ] Diese Fusion kann durch den Quanteneffekt entstehen, bei dem Kerne die elektrostatische Abstoßung durchtunneln können . Bleiben die beiden Kerne über diese Phase hinaus nahe beieinander, führen multiple Kernwechselwirkungen zu einer Energieumverteilung und einem Energiegleichgewicht. [ 14 ]
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Die resultierende Verschmelzung ist ein angeregter Zustand [ 18 ] – ein sogenannter Compoundkern – und daher sehr instabil. [ 14 ] Um einen stabileren Zustand zu erreichen, kann die temporäre Verschmelzung ohne Bildung eines stabileren Kerns zerfallen . [ 19 ] Alternativ kann der Compoundkern einige Neutronen abgeben , die die Anregungsenergie abführen. Reicht diese nicht für einen Neutronenausstoß aus, entsteht bei der Verschmelzung ein Gammastrahl . Dies geschieht etwa 10⁻¹⁶ Sekunden nach der anfänglichen Kernkollision und führt zur Bildung eines stabileren Kerns. [ 19 ] Die Definition der Gemeinsamen Arbeitsgruppe (JWP) von IUPAC und IUPAP besagt, dass ein chemisches Element erst dann als entdeckt gelten kann, wenn sein Kern innerhalb von 10⁻¹⁴ Sekunden nicht zerfallen ist . Dieser Wert wurde als Schätzung für die Zeit gewählt, die ein Kern benötigt, um Elektronen aufzunehmen und somit seine chemischen Eigenschaften zu zeigen. [ 20 ] [ e ]
Zerfall und Nachweis
Der Strahl durchdringt das Target und erreicht die nächste Kammer, den Separator. Falls ein neuer Atomkern entsteht, wird dieser mit dem Strahl transportiert. [ 22 ] Im Separator wird der neu entstandene Atomkern von anderen Nukliden (dem des ursprünglichen Strahls und etwaigen anderen Reaktionsprodukten) [ f ] getrennt und zu einem Oberflächenbarrieredetektor transportiert , der den Atomkern stoppt. Die genaue Position des bevorstehenden Auftreffens auf den Detektor wird markiert; ebenso werden seine Energie und die Ankunftszeit erfasst. [ 22 ] Der Transport dauert etwa 10⁻⁶ Sekunden ; um detektiert zu werden, muss der Atomkern diese Zeit überstehen. [ 25 ] Sobald der Zerfall des Atomkerns registriert ist, wird dieser erneut aufgezeichnet und die Position, die Energie und die Zeit des Zerfalls gemessen. [ 22 ]
Die Stabilität eines Atomkerns wird durch die starke Wechselwirkung gewährleistet. Ihre Reichweite ist jedoch sehr gering; mit zunehmender Kerngröße schwächt sich ihr Einfluss auf die äußersten Nukleonen ( Protonen und Neutronen) ab. Gleichzeitig wird der Kern durch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Protonen auseinandergerissen, deren Reichweite nicht begrenzt ist. [ 26 ] Die gesamte Bindungsenergie der starken Wechselwirkung steigt linear mit der Anzahl der Nukleonen, während die elektrostatische Abstoßung mit dem Quadrat der Ordnungszahl zunimmt, d. h. sie wächst schneller und gewinnt für schwere und superschwere Kerne zunehmend an Bedeutung. [ 27 ] [ 28 ] Superschwere Kerne zerfallen daher theoretisch [ 29 ] und wurden bisher beobachtet [ 30 ] überwiegend über Zerfallsmechanismen, die durch diese Abstoßung verursacht werden: Alpha-Zerfall und spontane Spaltung . [ g ] Fast alle Alpha-Strahler besitzen mehr als 210 Nukleonen, [ 32 ] und das leichteste Nuklid, das hauptsächlich spontaner Spaltung unterliegt, hat 238 Nukleonen. [ 33 ] In beiden Zerfallsmodi wird der Zerfall der Kerne durch entsprechende Energiebarrieren für jeden Modus verhindert, sie können jedoch durchtunnelt werden. [ 27 ] [ 28 ]

Alphateilchen entstehen häufig bei radioaktiven Zerfällen, da die Masse eines Alphateilchens pro Nukleon so gering ist, dass dem Alphateilchen noch kinetische Energie für den Austritt aus dem Atomkern zur Verfügung steht. [ 35 ] Spontane Kernspaltung wird durch elektrostatische Abstoßung verursacht, die den Atomkern auseinanderreißt und bei der Spaltung identischer Kerne in verschiedenen Fällen unterschiedliche Kerne erzeugt. [ 28 ] Mit steigender Ordnungszahl gewinnt die spontane Kernspaltung rapide an Bedeutung: Die partiellen Halbwertszeiten der spontanen Kernspaltung sinken um 23 Größenordnungen von Uran (Element 92) zu Nobelium (Element 102) [ 36 ] und um 30 Größenordnungen von Thorium (Element 90) zu Fermium (Element 100). [ 37 ] Das frühere Tröpfchenmodell legte daher nahe, dass spontane Kernspaltung aufgrund des Verschwindens der Spaltbarriere für Kerne mit etwa 280 Nukleonen nahezu instantan erfolgen würde . [ 28 ] [ 38 ] Das spätere Schalenmodell des Atomkerns legte nahe, dass Kerne mit etwa 300 Nukleonen eine Stabilitätsinsel bilden würden, in der die Kerne resistenter gegen spontane Spaltung wären und vorwiegend Alpha-Zerfall mit längeren Halbwertszeiten unterliegen würden. [ 28 ] [ 38 ] Nachfolgende Entdeckungen deuteten darauf hin, dass die vorhergesagte Insel weiter entfernt sein könnte als ursprünglich angenommen; sie zeigten auch, dass Kerne, die zwischen den langlebigen Aktiniden und der vorhergesagten Insel liegen, deformiert sind und durch Schaleneffekte zusätzliche Stabilität gewinnen. [ 39 ] Experimente mit leichteren superschweren Kernen [ 40 ] sowie solchen, die näher an der erwarteten Insel liegen [ 36 ], haben eine größere Stabilität gegen spontane Spaltung gezeigt als bisher angenommen, was die Bedeutung von Schaleneffekten auf Atomkerne unterstreicht. [ h ]
Alphazerfälle werden durch die emittierten Alphateilchen registriert, und die Zerfallsprodukte lassen sich vor dem eigentlichen Zerfall leicht bestimmen. Erzeugt ein solcher Zerfall oder eine Reihe aufeinanderfolgender Zerfälle einen bekannten Atomkern, kann das ursprüngliche Reaktionsprodukt leicht ermittelt werden. [ i ] (Dass alle Zerfälle innerhalb einer Zerfallskette tatsächlich miteinander in Zusammenhang stehen, wird durch den Ort dieser Zerfälle belegt, der am selben Ort stattfinden muss.) [ 22 ] Der bekannte Atomkern kann anhand der spezifischen Eigenschaften seines Zerfalls, wie z. B. der Zerfallsenergie (genauer: der kinetischen Energie des emittierten Teilchens), identifiziert werden. [ j ] Spontane Kernspaltung erzeugt jedoch verschiedene Atomkerne als Produkte, sodass das ursprüngliche Nuklid nicht aus seinen Folgeprodukten bestimmt werden kann. [ k ]
Die Physikern, die ein superschweres Element synthetisieren wollen, stehen somit die an den Detektoren gesammelten Daten zur Verfügung: Ort, Energie und Ankunftszeit eines Teilchens am Detektor sowie die Daten seines Zerfalls. Die Physiker analysieren diese Daten und versuchen zu schlussfolgern, dass das Phänomen tatsächlich durch ein neues Element verursacht wurde und nicht durch ein anderes Nuklid als das behauptete. Oft reichen die vorliegenden Daten nicht aus, um die Entstehung eines neuen Elements eindeutig zu bestätigen und die beobachteten Effekte ohne andere Erklärung nachzuweisen; es wurden Fehler bei der Dateninterpretation gemacht. [ l ]
Entdeckung

Die Entdeckung des Elements 102 war ein komplizierter Prozess und wurde von Gruppen aus Schweden , Großbritannien , den Vereinigten Staaten und der Sowjetunion für sich beansprucht . Der erste vollständige und unumstößliche Bericht über seinen Nachweis stammte erst 1966 vom Vereinigten Institut für Kernforschung in Dubna (damals in der Sowjetunion). [ 51 ]
Die Entdeckung des Elements 102 wurde 1957 erstmals von Physikern des Argonne National Laboratory , der Harwell Atomic Energy Research Establishment und des Nobel-Instituts für Physik in Schweden bekanntgegeben. Das Team berichtete, ein Curium- Target fünfzig Mal im Abstand von jeweils einer halben Stunde mit Kohlenstoff-13 -Ionen beschossen zu haben. Zwischen den Beschussvorgängen wurde das Target einer Ionenaustauschreaktion unterzogen. Zwölf der fünfzig Beschussvorgänge enthielten Proben , die Alphateilchen mit einer Energie von (8,5 ± 0,1) MeV emittierten . Diese befanden sich in Tropfen, die früher eluierten als Fermium (Ordnungszahl Z = 100) und Californium ( Z = 98). Die berichtete Halbwertszeit betrug 10 Minuten und wurde entweder 251No oder 253No zugeordnet , wobei die Möglichkeit, dass die beobachteten Alphateilchen von einem vermutlich kurzlebigen Mendelevium- Isotop ( Z = 101) stammten, das durch Elektroneneinfang von Element 102 entstanden war, nicht ausgeschlossen wurde. [ 51 ] Das Team schlug den Namen Nobelium (No) für das neue Element vor, [ 52 ] [ 53 ] der von der IUPAC umgehend angenommen wurde, [ 54 ] eine Entscheidung, die die Dubna-Gruppe 1968 als übereilt bezeichnete. [ 55 ]
1958 wiederholten Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory das Experiment. Das Berkeley-Team, bestehend aus Albert Ghiorso , Glenn T. Seaborg , John R. Walton und Torbjørn Sikkeland , nutzte den neuen Schwerionen - Linearbeschleuniger (HILAC), um ein Curium-Target (95 % <sup> 244</sup> Cm und 5 % <sup>246 </sup>Cm) mit <sup>13</sup> C- und <sup>12</sup> C-Ionen zu beschießen. Sie konnten die von den Schweden behauptete Aktivität bei 8,5 MeV nicht bestätigen, sondern stattdessen Zerfälle von <sup>250</sup> Fm nachweisen , das mutmaßlich ein Folgeprodukt von <sup>254</sup> No (entstanden aus <sup> 246 </sup>Cm) ist und eine scheinbare Halbwertszeit von etwa 3 s aufweist. Wahrscheinlich war auch diese Zuordnung falsch, da spätere Arbeiten in Dubna aus dem Jahr 1963 zeigten, dass die Halbwertszeit von <sup>254 </sup>No deutlich länger ist (etwa 50 s). Es ist wahrscheinlicher, dass die beobachteten Alpha-Zerfälle nicht von Element 102, sondern von 250m Fm stammen. [ 51 ]
1959 versuchte das schwedische Team, die Unfähigkeit des Berkeley-Teams zu erklären, Element 102 im Jahr 1958 nachzuweisen, und behauptete, es entdeckt zu haben. Spätere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass keine Nobelium-Isotope leichter als <sup> 259</sup> No (schwerere Isotope konnten in den schwedischen Experimenten nicht erzeugt werden) mit einer Halbwertszeit von über 3 Minuten existieren und dass die Ergebnisse des schwedischen Teams höchstwahrscheinlich auf <sup> 225</sup> Th zurückzuführen sind , das eine Halbwertszeit von 8 Minuten hat und schnell durch Dreifach-Alpha-Zerfall zu <sup>213</sup> Po zerfällt , welches eine Zerfallsenergie von 8,53612 MeV besitzt. Diese Hypothese wird durch die Tatsache gestützt, dass <sup>225</sup> Th in der verwendeten Reaktion leicht erzeugt werden kann und mit den angewandten chemischen Methoden nicht abgetrennt werden konnte. Spätere Untersuchungen an Nobelium zeigten zudem, dass die zweiwertige Form stabiler ist als die dreiwertige und dass die Proben, die Alphateilchen emittierten, daher kein Nobelium enthalten konnten, da das zweiwertige Nobelium nicht mit den anderen dreiwertigen Aktiniden eluiert worden wäre. [ 51 ] Das schwedische Team widerrief daraufhin seine Behauptung und führte die Aktivität auf Hintergrundeffekte zurück. [ 54 ]
1959 setzte das Team seine Studien fort und gab an, ein Isotop erzeugt zu haben, das überwiegend durch Emission eines 8,3 MeV-Alphateilchens mit einer Halbwertszeit von 3 s zerfiel und einen zugehörigen Spontanspaltungszweig von 30 % aufwies . Die Aktivität wurde zunächst dem Element 254No zugeordnet , später jedoch dem Element 252No . Die Forscher merkten jedoch an, dass die Erzeugung von Element 102 aufgrund schwieriger Bedingungen nicht sicher sei. [ 51 ] Das Team aus Berkeley entschied sich, den von den Schweden vorgeschlagenen Namen „Nobelium“ für das Element zu übernehmen. [ 54 ]
- 244 96Cm +12 6C →256 102NEIN*→252 102Nein + 41 0N
Parallel dazu wurden in Dubna 1958 und 1960 Experimente zur Synthese von Element 102 durchgeführt. Im ersten Experiment von 1958 wurden <sup> 239</sup> Pu und <sup>241</sup> Pu mit <sup> 16 </sup>O -Ionen beschossen. Dabei wurden einige Alphazerfälle mit Energien knapp über 8,5 MeV beobachtet und den Isotopen <sup>251</sup>No, <sup> 252</sup> No und <sup>253</sup>No zugeordnet . Das Team schrieb jedoch, dass die Bildung von Isotopen aus Blei- oder Wismutverunreinigungen (die kein Nobelium erzeugen würden) nicht ausgeschlossen werden könne. Obwohl spätere Experimente von 1958 zeigten, dass neue Isotope aus Quecksilber- , Thallium- , Blei- oder Wismutverunreinigungen entstehen könnten, hielten die Wissenschaftler weiterhin an ihrer Schlussfolgerung fest, dass Element 102 durch diese Reaktion entstehen könne. Sie nannten eine Halbwertszeit von unter 30 Sekunden und eine Zerfallsenergie von (8,8 ± 0,5) MeV. Spätere Experimente in den 1960er Jahren bewiesen, dass es sich um Hintergrundeffekte handelte. Experimente im Jahr 1967 senkten die Zerfallsenergie ebenfalls auf (8,6 ± 0,4) MeV, doch beide Werte sind zu hoch, um mit denen von 253 No oder 254 No übereinzustimmen. [ 51 ] Das Team aus Dubna erklärte später, 1970 und erneut 1987, dass diese Ergebnisse nicht schlüssig seien. [ 51 ]
1961 behaupteten Wissenschaftler in Berkeley die Entdeckung von Lawrencium in der Reaktion von Californium mit Bor- und Kohlenstoffionen. Sie gaben die Herstellung des Isotops <sup>257 </sup>Lr an und behaupteten außerdem, ein alphazerfallendes Isotop des Elements <sup>102</sup> mit einer Halbwertszeit von 15 s und einer Alphazerfallsenergie von 8,2 MeV synthetisiert zu haben. Sie ordneten dieses Isotop <sup> 255</sup> No zu, ohne dies zu begründen. Die Werte stimmen nicht mit den heute bekannten Werten für <sup> 255</sup> No überein, wohl aber mit denen für <sup> 257</sup> No. Obwohl dieses Isotop wahrscheinlich an dem Experiment beteiligt war, blieb seine Entdeckung ergebnislos. [ 51 ]
Die Arbeiten zu Element 102 wurden auch in Dubna fortgesetzt. 1964 wurden dort Experimente durchgeführt, um die Alpha-Zerfallsprodukte von Element-102-Isotopen nachzuweisen. Dazu wurde Element 102 durch die Reaktion eines <sup> 238</sup> U- Targets mit Neonionen synthetisiert . Die Produkte wurden auf einer Silberfolie aufgefangen und chemisch gereinigt. Dabei wurden die Isotope <sup>250</sup> Fm und <sup>252</sup> Fm nachgewiesen. Die Ausbeute an <sup>252</sup> Fm wurde als Hinweis darauf interpretiert, dass auch sein Ausgangsisotop <sup>256</sup> No synthetisiert wurde. Da man festgestellt hatte, dass <sup> 252</sup> Fm auch direkt in dieser Reaktion durch die gleichzeitige Emission eines Alphateilchens mit den überschüssigen Neutronen entstehen konnte, wurden Maßnahmen ergriffen, um zu verhindern, dass <sup> 252</sup> Fm direkt auf die Silberfolie gelangte. Die für <sup> 256</sup> No ermittelte Halbwertszeit betrug 8 s und war damit deutlich höher als der neuere Wert von (3,2 ± 0,2) s aus dem Jahr 1967. [ 51 ] Weitere Experimente wurden 1966 mit <sup> 254</sup> N durchgeführt, wobei die Reaktionen <sup>243</sup> Am (<sup> 15 </sup>N ,4n) <sup>254</sup> N und <sup>238</sup> U( <sup>22 </sup>Ne,6n) <sup>254</sup> N zum Einsatz kamen. Dabei wurde eine Halbwertszeit von (50 ± 10) s ermittelt. Die Diskrepanz zwischen diesem Wert und dem früheren Berkeley-Wert war damals noch nicht geklärt, obwohl spätere Arbeiten zeigten, dass die Bildung des Isomers <sup> 250m</sup> Fm in den Dubna-Experimenten weniger wahrscheinlich war als in den Berkeley-Experimenten. Rückblickend waren die Dubna-Ergebnisse zu <sup> 254</sup> N wahrscheinlich korrekt und können heute als endgültiger Nachweis von Element 102 gelten. [ 51 ]
Ein weiteres, sehr überzeugendes Experiment aus Dubna wurde 1966 veröffentlicht (obwohl es bereits 1965 eingereicht worden war). Auch hier wurden dieselben zwei Reaktionen verwendet. Das Ergebnis zeigte, dass die Halbwertszeit von <sup>254</sup> No tatsächlich deutlich länger war als die von Berkeley behaupteten 3 Sekunden. [ 51 ] Spätere Arbeiten in Berkeley (1967) und am Oak Ridge National Laboratory (1971) bestätigten die Entdeckung von Element 102 vollständig und präzisierten frühere Beobachtungen. [ 54 ] Im Dezember 1966 wiederholte die Gruppe aus Berkeley die Experimente aus Dubna, bestätigte sie vollständig und nutzte diese Daten, um die zuvor synthetisierten, aber damals noch nicht identifizierten Isotope endlich korrekt zuzuordnen. Somit beanspruchten sie, Nobelium in den Jahren 1958 bis 1961 entdeckt zu haben. [ 54 ]
- 238 92U +22 10Ne →260 102NEIN*→254 102Nein + 61 0N

1969 führte das Team aus Dubna chemische Experimente mit Element 102 durch und kam zu dem Schluss, dass es sich wie das schwerere Homolog von Ytterbium verhält . Die russischen Wissenschaftler schlugen den Namen Joliotium (Jo) für das neue Element vor, zu Ehren der kurz zuvor verstorbenen Irène Joliot-Curie . Dies löste eine Kontroverse um die Benennung von Elementen aus , die erst nach mehreren Jahrzehnten beigelegt werden sollte, wobei jede Gruppe ihre eigenen Namensvorschläge verwendete. [ 54 ] [ 56 ]
1992 überprüfte die IUPAC - IUPAP -Transfermium-Arbeitsgruppe (TWG) die Entdeckungsansprüche und kam zu dem Schluss, dass nur die Arbeit von Dubna aus dem Jahr 1966 die Zerfälle von Atomkernen mit der Ordnungszahl 102 korrekt nachgewiesen und zugeordnet hatte. Das Team aus Dubna gilt daher offiziell als Entdecker von Nobelium, obwohl es möglich ist, dass es bereits 1959 in Berkeley nachgewiesen wurde. [ 51 ] Diese Entscheidung wurde im folgenden Jahr von Berkeley kritisiert, das die Wiederaufnahme der Verfahren zu den Elementen 101 bis 103 als „sinnlose Zeitverschwendung“ bezeichnete, während Dubna der Entscheidung der IUPAC zustimmte. [ 55 ]
1994 ratifizierte die IUPAC im Rahmen eines Lösungsversuchs der Kontroverse um die Elementbenennung die Namen für die Elemente 101–109. Für Element 102 wurde der Name Nobelium (No) ratifiziert, da er sich über 30 Jahre in der Fachliteratur etabliert hatte und Alfred Nobel auf diese Weise geehrt werden sollte. [ 57 ] Aufgrund der Proteste gegen die 1994 beschlossenen Namen, die größtenteils nicht den Wünschen der Entdecker entsprachen, folgte eine Kommentierungsphase. 1995 schlug die IUPAC im Rahmen eines neuen Vorschlags Flerovium (Fl) für Element 102 vor, entweder nach Georgi Flyorov oder nach seinem gleichnamigen Flerov-Laboratorium für Kernreaktionen . [ 58 ] Auch dieser Vorschlag wurde nicht angenommen, und 1997 wurde der Name Nobelium wiederhergestellt. [ 57 ] Heute bezeichnet der Name Flerovium mit demselben Symbol das Element 114. [ 59 ]
Eigenschaften
Physisch

Im Periodensystem befindet sich Nobelium rechts vom Actiniden Mendelevium , links vom Actiniden Lawrencium und unterhalb des Lanthaniden Ytterbium . Nobeliummetall konnte bisher nicht in größeren Mengen hergestellt werden, und eine solche Herstellung ist derzeit unmöglich. [ 61 ] Dennoch wurden bereits einige Vorhersagen und erste experimentelle Ergebnisse zu seinen Eigenschaften getroffen. [ 61 ]
Die Lanthanoide und Actinoide können im metallischen Zustand entweder als zweiwertige (wie Europium und Ytterbium ) oder dreiwertige (die meisten anderen Lanthanoide) Metalle vorliegen. Erstere besitzen eine f<sub> n </sub>s<sup> 2 </sup>-Konfiguration, letztere eine f <sub>n -1</sub> d<sup> 1 </sup> s<sup> 2 </sup>-Konfiguration. 1975 untersuchten Johansson und Rosengren die gemessenen und berechneten Werte für die Kohäsionsenergien ( Kristallisationsenthalpien ) der metallischen Lanthanoide und Actinoide , sowohl als zweiwertige als auch als dreiwertige Metalle. [ 62 ] [ 63 ] Man kam zu dem Schluss, dass die erhöhte Bindungsenergie der [Rn]5f¹³6d¹7s²-Konfiguration gegenüber der [Rn]5f¹⁴7s² - Konfiguration für Nobelium nicht ausreicht , um die Energie zu kompensieren, die für die Anregung eines 5f-Elektrons in das 6d-Orbital benötigt wird. Dies gilt auch für die sehr späten Actiniden. Daher wurde erwartet , dass Einsteinium , Fermium , Mendelevium und Nobelium zweiwertige Metalle sind, obwohl diese Vorhersage für Nobelium noch nicht bestätigt wurde. [ 62 ] Die zunehmende Dominanz des zweiwertigen Zustands deutlich vor dem Ende der Actinidenreihe wird auf die relativistische Stabilisierung der 5f-Elektronen zurückgeführt, die mit steigender Ordnungszahl zunimmt. Dies hat zur Folge, dass Nobelium im Gegensatz zu allen anderen Lanthaniden und Actiniden überwiegend zweiwertig und nicht dreiwertig ist. [ 64 ] 1986 wurde die Sublimationsenthalpie von metallischem Nobelium auf etwa 126 kJ/mol geschätzt. Dieser Wert liegt nahe an den Werten für Einsteinium, Fermium und Mendelevium und stützt die Theorie, dass Nobelium ein zweiwertiges Metall bildet. [ 61 ] Wie die anderen zweiwertigen späten Aktiniden (mit Ausnahme des dreiwertigen Lawrenciums) sollte metallisches Nobelium eine kubisch-flächenzentrierte Kristallstruktur aufweisen. [ 2 ] Der metallische Radius von zweiwertigem Nobelium sollte etwa 197 pm betragen . [ 61 ] Der Schmelzpunkt von Nobelium wurde auf 800 °C geschätzt, derselbe Wert wie für das benachbarte Element Mendelevium. [ 65 ] Seine Dichte wird auf etwa 9,9 ± 0,4 g/ cm³ geschätzt .2 ]
Chemische
Die Chemie des Nobeliums ist noch nicht vollständig erforscht und ist nur in wässriger Lösung bekannt, in der es die Oxidationsstufen +3 oder +2 annehmen kann , wobei die zweite stabiler ist. [ 52 ] Vor der Entdeckung des Nobeliums ging man weitgehend davon aus, dass es sich in Lösung wie die anderen Actinoide verhalten würde, wobei die dreiwertige Oxidationsstufe vorherrschen würde. Seaborg sagte jedoch 1949 voraus, dass auch die Oxidationsstufe +2 für Nobelium relativ stabil sein würde, da das No²⁺- Ion die Grundzustands-Elektronenkonfiguration [Rn]5f¹⁴ besäße , einschließlich der stabilen, vollständig besetzten 5f¹⁴- Schale . Es dauerte neunzehn Jahre, bis diese Vorhersage bestätigt wurde. [ 66 ]
1967 wurden Experimente durchgeführt, um das chemische Verhalten von Nobelium mit dem von Terbium , Californium und Fermium zu vergleichen . Alle vier Elemente wurden mit Chlor umgesetzt , und die entstandenen Chloride wurden entlang eines Rohres abgeschieden, durch das sie von einem Gas transportiert wurden. Es zeigte sich, dass das gebildete Nobeliumchlorid stark an festen Oberflächen adsorbiert wurde , was beweist, dass es – ähnlich wie die Chloride der drei anderen untersuchten Elemente – nicht sehr flüchtig ist. Da jedoch sowohl NoCl₂ als auch NoCl₃ als nichtflüchtig erwartet wurden, lieferte dieses Experiment keine eindeutigen Ergebnisse hinsichtlich der bevorzugten Oxidationsstufe von Nobelium. [ 66 ] Die Bestimmung der Präferenz von Nobelium für die Oxidationsstufe +2 musste bis zum folgenden Jahr warten. In diesem Jahr wurden Kationenaustauschchromatographie- und Kopräzipitationsexperimente mit etwa 50.000 No-Atomen durchgeführt . Dabei zeigte sich, dass sich Nobelium anders als die anderen Actinoide und eher wie die zweiwertigen Erdalkalimetalle verhielt . Dies bewies, dass Nobelium in wässriger Lösung in Abwesenheit starker Oxidationsmittel im zweiwertigen Zustand am stabilsten ist . [ 66 ] Spätere Experimente im Jahr 1974 zeigten, dass Nobelium zusammen mit den Erdalkalimetallen, zwischen Ca²⁺ und Sr²⁺ , eluiert . [ 66 ] Nobelium ist das einzige bekannte Element der f-Block-Gruppe , bei dem der Oxidationszustand +2 in wässriger Lösung am häufigsten vorkommt und am stabilsten ist. Dies liegt an der großen Energielücke zwischen den 5f- und 6d-Orbitalen am Ende der Actinidenreihe. [ 67 ]
Es wird erwartet, dass die relativistische Stabilisierung der 7s-Unterschale Nobeliumdihydrid (NoH₂) stark destabilisiert. Die relativistische Stabilisierung des 7p<sub> 1/2</sub> -Spinors gegenüber dem 6d<sub> 3/2 </sub>-Spinor führt dazu, dass angeregte Zustände in Nobeliumatomen Beiträge von 7s- und 7p-Orbitalen anstelle des erwarteten 6d-Beitrags aufweisen. Die großen No–H-Abstände im NoH₂ - Molekül und der signifikante Ladungstransfer bedingen eine extreme Ionizität mit einem Dipolmoment von 5,94 D. In diesem Molekül zeigt Nobelium voraussichtlich ein Hauptgruppen-ähnliches Verhalten und verhält sich mit seiner ns² - Valenzschalenkonfiguration und den kernartigen 5f-Orbitalen wie ein Erdalkalimetall . [ 68 ]
Die Komplexierungsfähigkeit von Nobelium mit Chloridionen ähnelt am ehesten der von Barium , das eher schwache Komplexe bildet. [ 66 ] Seine Komplexierungsfähigkeit mit Citrat , Oxalat und Acetat in einer wässrigen Lösung von 0,5 M Ammoniumnitrat liegt zwischen der von Calcium und Strontium, wobei sie der von Strontium etwas näher kommt. [ 66 ]
Das Standardreduktionspotential des Redoxpaares E °(No³⁺ → No²⁺ ) wurde 1969 auf +1,4 bis +1,5 V geschätzt ; [ 66 ] später, im Jahr 2009, wurde es auf nur etwa +0,75 V korrigiert. [ 69 ] Der positive Wert zeigt, dass No²⁺ stabiler als No³⁺ ist und dass No³⁺ ein gutes Oxidationsmittel ist. Die angegebenen Werte für E °(No²⁺ → No⁰ ) und E °( No³⁺ →No⁰ ) variieren je nach Quelle; die akzeptierten Standardwerte betragen jedoch −2,61 V bzw. −1,26 V. [ 66 ] Für das Redoxpaar E °(No⁴⁺ → No³⁺ ) wird ein Wert von +6,5 V vorhergesagt. [ 66 ] Die Gibbs -Bildungsenergien von No³⁺ und No²⁺ werden auf −342 kJ/mol bzw. −480 kJ/mol geschätzt . [ 66 ]
Atomar
Ein Nobeliumatom besitzt 102 Elektronen. Diese werden in der Konfiguration [Rn] 5f¹⁴7s² (Grundzustandstermsymbol ¹S⁰ ) erwartet , obwohl diese Elektronenkonfiguration bis 2006 experimentell noch nicht bestätigt worden war. Die sechzehn Elektronen in den 5f- und 7s-Unterschalen sind Valenzelektronen . [ 61 ] Bei der Bildung von Verbindungen können drei Valenzelektronen abgegeben werden, wodurch ein [Rn]5f¹³-Rumpf entsteht : Dies entspricht dem Trend der anderen Actinoide mit ihren [Rn]5fⁿ - Elektronenkonfigurationen im tripositiv geladenen Zustand. Wahrscheinlicher ist jedoch, dass nur zwei Valenzelektronen abgegeben werden, wodurch ein stabiler [Rn] 5f¹⁴ - Rumpf mit einer vollständig besetzten 5f¹⁴ - Schale entsteht . Das erste Ionisierungspotential von Nobelium wurde 1974 mit maximal (6,65 ± 0,07) eV gemessen, basierend auf der Annahme, dass die 7s-Elektronen vor den 5f-Elektronen ionisieren würden; [ 70 ] dieser Wert wurde später auf 6,62621 eV (639,33 kJ/mol) verfeinert. [ 71 ] Der Ionenradius von hexakoordiniertem und octakoordiniertem No³⁺ wurde 1978 vorläufig auf etwa 90 bzw. 102 pm geschätzt; [ 66 ] der Ionenradius von No²⁺ wurde experimentell mit 100 pm auf zwei signifikante Stellen bestimmt . [ 61 ] Die Hydratationsenthalpie von No²⁺ wurde mit 1486 kJ/mol berechnet. [ 66 ]
Isotope
Vierzehn Nobelium-Isotope mit den Massenzahlen 248–260 und 262 sind bekannt; alle sind radioaktiv. [ 6 ] Zusätzlich sind siebzehn Kernisomere bekannt, deren Massenzahlen zwischen 250 und 256 liegen. [ 6 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] Das langlebigste Isotop ist <sup>259</sup> No mit einer Halbwertszeit von 58 Minuten, das langlebigste Isomer ist <sup> 251m</sup> No mit einer Halbwertszeit von 1,02 Sekunden. [ 6 ] Für das noch unentdeckte Isotop <sup>261 </sup>No wird jedoch eine noch längere Halbwertszeit von 3 Stunden vorhergesagt. [ 6 ] Darüber hinaus wird das kurzlebigere <sup> 255</sup> No (Halbwertszeit 3,52 Minuten) häufiger in chemischen Experimenten verwendet, da es durch Bestrahlung von Californium-249 mit Kohlenstoff-12 -Ionen in größeren Mengen hergestellt werden kann. [ 76 ] Nach <sup>259</sup> No und <sup>255</sup> No sind die nächststabilsten Nobeliumisotope <sup>253</sup> No (Halbwertszeit 1,57 Minuten), <sup> 254 </sup> No (51,2 Sekunden ), <sup>257 </sup> No ( 24,5 Sekunden), <sup> 256 </sup>No (2,91 Sekunden) und <sup>252</sup> No (2,467 Sekunden). [ 6 ] Alle übrigen Nobeliumisotope haben Halbwertszeiten von weniger als einer Sekunde, und das kurzlebigste bekannte Nobeliumisotop ( <sup>248 </sup>No) hat eine Halbwertszeit von weniger als 2 Mikrosekunden . [ 6 ] Das Isotop 254 No ist von besonderem theoretischem Interesse, da es sich in der Mitte einer Reihe von länglichen Kernen von 231 Pa bis 279 Rg befindet und die Bildung seiner Kernisomere (von denen zwei bekannt sind) durch Protonenorbitale wie 2f 5/2 kontrolliert wird , die sich knapp oberhalb der sphärischen Protonenschale befinden; es kann in der Reaktion von 208 Pb mit 48 Ca synthetisiert werden. [ 77 ]
Die Halbwertszeiten der Nobelium-Isotope steigen von <sup>250</sup> No bis <sup>253</sup> No kontinuierlich an. Bei <sup> 254</sup> No tritt jedoch ein Einbruch auf, und darüber hinaus sinken die Halbwertszeiten der geradzahligen Nobelium-Isotope rapide, da die spontane Spaltung zum dominierenden Zerfallsmechanismus wird. Beispielsweise beträgt die Halbwertszeit von <sup>256</sup> No fast drei Sekunden, die von <sup>258</sup> No hingegen nur 1,2 Millisekunden. [ 76 ] Dies zeigt, dass die gegenseitige Abstoßung der Protonen bei Nobelium die Lebensdauer langlebiger Kerne in der Actinidenreihe begrenzt . [ 78 ] Die geradzahligen Nobelium-Isotope weisen mit steigender Massenzahl überwiegend weiterhin längere Halbwertszeiten auf, wobei der Trend bei <sup>257</sup> No einen Einbruch zeigt. [ 76 ]
Präparation und Reinigung
Die Nobelium-Isotope werden größtenteils durch Beschuss von Actiniden ( Uran , Plutonium , Curium , Californium oder Einsteinium ) erzeugt, mit Ausnahme von Nobelium-262, das als Folgeprodukt von Lawrencium-262 entsteht. [ 76 ] Das am häufigsten verwendete Isotop, 255No , kann durch Beschuss von Curium -248 oder Californium-249 mit Kohlenstoff-12 hergestellt werden ; letzteres Verfahren ist gebräuchlicher. Die Bestrahlung eines 350 μg cm⁻² großen Californium-249-Targets mit drei Billionen 73 MeV Kohlenstoff -12-Ionen pro Sekunde über zehn Minuten erzeugt etwa 1200 Nobelium-255-Atome. [ 76 ]
Sobald Nobelium-255 erzeugt ist, kann es ähnlich wie das benachbarte Actinid Mendelevium abgetrennt werden. Der Rückstoßimpuls der erzeugten Nobelium-255-Atome wird genutzt, um sie weit vom Target, von dem sie erzeugt werden, zu entfernen und auf eine dünne Metallfolie (üblicherweise Beryllium , Aluminium , Platin oder Gold ) direkt hinter dem Target im Vakuum zu transportieren. Dies geschieht üblicherweise, indem die Nobeliumatome in einer Gasatmosphäre (häufig Helium ) eingeschlossen und mit einem Gasstrahl aus einer kleinen Öffnung in der Reaktionskammer transportiert werden. Mithilfe eines langen Kapillarrohrs und der Zugabe von Kaliumchlorid- Aerosolen zum Heliumgas können die Nobeliumatome über mehrere Meter transportiert werden . [ 79 ] Die dünne Nobeliumschicht auf der Folie kann anschließend mit verdünnter Säure entfernt werden, ohne die Folie vollständig aufzulösen. [ 79 ] Das Nobelium kann dann isoliert werden, indem man seine Tendenz zur Bildung des zweiwertigen Zustands ausnutzt, im Gegensatz zu den anderen dreiwertigen Actiniden: Unter üblicherweise verwendeten Elutionsbedingungen ( Bis-(2-ethylhexyl)phosphorsäure (HDEHP) als stationäre organische Phase und 0,05 M Salzsäure als mobile wässrige Phase oder Verwendung von 3 M Salzsäure als Elutionsmittel von Kationenaustauscherharzsäulen ) passiert das Nobelium die Säule und eluiert, während die anderen dreiwertigen Actiniden auf der Säule verbleiben. [ 79 ] Wird jedoch eine direkte „Auffang“-Goldfolie verwendet, wird das Verfahren dadurch verkompliziert, dass das Gold vor der Isolierung des Nobeliums durch Elution von chromatographischen Extraktionssäulen mit HDEHP mittels Anionenaustauschchromatographie abgetrennt werden muss. [ 79 ]
Anmerkungen
- ^ Die Dichte wird aus dem vorhergesagten metallischen Radius (Silva 2008, S. 1639) und der vorhergesagten dichtesten Kristallpackung (Fournier 1976) berechnet.
- In der Kernphysik wird ein Element als schwer bezeichnet , wenn seine Ordnungszahl hoch ist; Blei (Element 82) ist ein Beispiel für ein solches schweres Element. Der Begriff „superschwere Elemente“ bezieht sich typischerweise auf Elemente mit einer Ordnungszahl größer als 103 (obwohl es auch andere Definitionen gibt, wie z. B. Ordnungszahlen größer als 100 [ 8 ] oder 112 [ 9 ] ;manchmal wird der Begriff synonym mit „Transaktinide“ verwendet, was eine Obergrenze vor Beginn der hypothetischen Superaktinidenreihe festlegt ). [ 10 ] Die Begriffe „schwere Isotope“ (eines bestimmten Elements) und „schwere Atomkerne“ bezeichnen, wie im allgemeinen Sprachgebrauch üblich, Isotope mit hoher Masse (des jeweiligen Elements) bzw. Atomkerne mit hoher Masse.
- Im Jahr 2009 veröffentlichte ein Team des JINR unter der Leitung von Oganessian die Ergebnisse seines Versuchs, Hassium in einer symmetrischen Reaktion von <sup>136</sup> Xe + <sup>136</sup> Xe zu erzeugen. Es gelang ihnen nicht, ein einziges Atom in einer solchen Reaktion zu beobachten, wodurch die obere Grenze für den Wirkungsquerschnitt, das Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Kernreaktion, auf 2,5 pb festgelegt wurde . [ 11 ] Zum Vergleich: Die Reaktion, die zur Entdeckung von Hassium führte, <sup>208</sup> Pb + <sup>58</sup> Fe, hatte einen Wirkungsquerschnitt von etwa 20 pb (genauer: 19 pb).+19 -11 pb), wie von den Entdeckern geschätzt. [ 12 ]
- Die dem Strahlteilchen zur Beschleunigung zugeführte Energie kann ebenfalls den Wert des Wirkungsquerschnitts beeinflussen. Zum Beispiel im28 14Si +1 0n →28 13Al +1 1Bei der p- Reaktion ändert sich der Wirkungsquerschnitt stetig von 370 mb bei 12,3 MeV auf 160 mb bei 18,3 MeV, mit einem breiten Peak bei 13,5 MeV und einem Maximalwert von 380 mb. [ 16 ]
- ^ Diese Zahl markiert auch die allgemein anerkannte obere Grenze für die Lebensdauer eines Compoundkerns. [ 21 ]
- Diese Trennung beruht darauf, dass die entstehenden Atomkerne langsamer am Target vorbeiziehen als die nicht umgesetzten Atomkerne des Strahls. Der Separator enthält elektrische und magnetische Felder, deren Wirkung auf ein bewegtes Teilchen sich bei einer bestimmten Teilchengeschwindigkeit aufhebt. [ 23 ] Eine solche Trennung kann durch eine Flugzeitmessung und eine Rückstoßenergiemessung unterstützt werden; eine Kombination beider Messungen kann die Abschätzung der Masse eines Atomkerns ermöglichen. [ 24 ]
- ^ Nicht alle Zerfallsarten werden durch elektrostatische Abstoßung verursacht. Beispielsweise wird der Beta-Zerfall durch die schwache Wechselwirkung verursacht . [ 31 ]
- Bereits in den 1960er Jahren war bekannt, dass sich die Grundzustände von Atomkernen in Energie und Form unterscheiden und dass bestimmte magische Nukleonenzahlen mit einer höheren Stabilität des Atomkerns einhergehen. Man ging jedoch davon aus, dass superschwere Atomkerne keine Kernstruktur besitzen, da sie zu stark deformiert sind, um eine solche auszubilden . [ 36 ]
- Da die Masse eines Atomkerns nicht direkt gemessen, sondern aus der Masse eines anderen Atomkerns berechnet wird, spricht man von einer indirekten Messung. Direkte Messungen sind zwar auch möglich, standen aber für superschwere Atomkerne bisher größtenteils nicht zur Verfügung. [ 41 ] Die erste direkte Messung der Masse eines superschweren Atomkerns wurde 2018 am LBNL durchgeführt. [ 42 ] Die Masse wurde aus der Position des Atomkerns nach dem Transfer bestimmt (die Position hilft, seine Flugbahn zu ermitteln, welche wiederum mit dem Masse-Ladungs-Verhältnis des Atomkerns zusammenhängt, da der Transfer in Anwesenheit eines Magneten erfolgte). [ 43 ]
- Wenn der Zerfall im Vakuum stattfindet, erhält der Tochterkern aufgrund der Erhaltung des Gesamtimpulses eines isolierten Systems vor und nach dem Zerfall ebenfalls eine kleine Geschwindigkeit. Das Verhältnis der beiden Geschwindigkeiten und somit auch das Verhältnis der kinetischen Energien ist umgekehrt proportional zum Verhältnis der beiden Massen. Die Zerfallsenergie entspricht der Summe der bekannten kinetischen Energie des Alphateilchens und der des Tochterkerns (ein exakter Bruchteil der ersteren). [ 32 ] Die Berechnungen gelten auch für ein Experiment, allerdings bewegt sich der Kern nach dem Zerfall nicht, da er an den Detektor gebunden ist.
- Die spontane Kernspaltung wurde vom sowjetischen Physiker Georgi Flerow [ 44 ] ,entdecktund war daher ein wichtiges Forschungsgebiet der Einrichtung. [ 45 ] Im Gegensatz dazu waren die Wissenschaftler des LBL der Ansicht, dass Informationen zur Kernspaltung nicht ausreichten, um die Synthese eines Elements zu beweisen. Sie glaubten, die spontane Kernspaltung sei noch nicht ausreichend erforscht, um sie zur Identifizierung neuer Elemente zu nutzen, da es schwierig sei, nachzuweisen, dass ein Compoundkern ausschließlich Neutronen und keine geladenen Teilchen wie Protonen oder Alphateilchen emittiert hatte. [ 21 ] Daher zogen sie es vor, neue Isotope durch sukzessive Alphazerfälle mit bereits bekannten Isotopen zu verknüpfen. [ 44 ]
- So wurde beispielsweise Element 102 1957 am Nobel-Institut für Physik in Stockholm, Schweden , fälschlicherweise identifiziert .[ 46 ] Es gab keine früheren eindeutigen Behauptungen über die Entstehung dieses Elements, und es wurde von seinen schwedischen, amerikanischen und britischen Entdeckern als Nobelium bezeichnet . Später stellte sich heraus, dass diese Identifizierung falsch war. [ 47 ] Im folgenden Jahr konnte RL die schwedischen Ergebnisse nicht reproduzieren und verkündete stattdessen die eigene Synthese des Elements; auch diese Behauptung wurde später widerlegt. [ 47 ] Das JINR bestand darauf, das Element als erstes erzeugt zu haben, und schlug einen eigenen Namen für das neue Element vor: Joliotium ; [ 48 ] auch der sowjetische Name wurde nicht akzeptiert (das JINR bezeichnete die Benennung von Element 102 später als „voreilig“). [ 49 ] Dieser Name wurde der IUPAC in einer schriftlichen Antwort auf deren Entscheidung über die Priorität von Entdeckungsansprüchen von Elementen vorgeschlagen, unterzeichnet am 29. September 1992. [ 49 ] Der Name „Nobelium“ blieb aufgrund seiner weiten Verbreitung unverändert. [ 50 ]
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Externe Links
- Nuklidkarte, archiviert am 10.10.2018 im Internetarchiv (Wayback Machine) . nndc.bnl.gov
- Los Alamos National Laboratory – Nobelium
- Nobelium bei The Periodic Table of Videos (Universität Nottingham)