CHEMIENOBELPREIS 1951: EDWIN MATTISON MCMILLAN — GLENN THEODORE SEABORG

Chemienobelpreis 1951: Edwin Mattison McMillan — Glenn Theodore Seaborg

 

Die beiden Amerikaner erhielten den Nobelpreis für ihre Entdeckungen in der Chemie der Transurane.

 

 Biografien

 

Edwin Mattison McMillan, * Redondo Beach (Kalifornien) 18. 9. 1907, ✝ El Cerrito (Kalifornien) 7. 9. 1991; ab 1936 Professor in Berkeley, 1958-73 Leiter des Lawrence Radiation Laboratory der University of California; Mitentdecker der Transurane.

 

Glenn Theodore Seaborg, * Ishpeming (Michigan) 19. 4. 1912, ✝ Lafayette (Kalifornien) 25. 2. 1999; ab 1942 am Metallurgical Laboratory der University of Chicago, Mitarbeit am Manhattan-Projekt, ab 1945 Professor in Berkeley, ab 1946 Leiter der Kernchemieforschung am Lawrence Radiation Laboratory, 1961-71 Chef der amerikanischen Atomenergie-Kommission, ab 1971 wieder in Berkeley, Mitentdecker der Transurane.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Das Atommodell von Niels Bohr (Physiknobelpreis 1922) zeigte die Möglichkeit auf, dass Elemente jenseits des Urans im Periodensystem angesiedelt sein könnten.Elemente also, die schwerer als das schwerste bisher bekannte Element Uran sein sollten. Das bereits 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendelejew entwickelte Periodensystem der Elemente hatte diese Möglichkeit offen gelassen. Für die Entdeckung einer ganzen Reihe solcher »Transurane« erhielten die Amerikaner Edwin Mattison McMillan und Glenn Theodore Seaborg 1951 den Nobelpreis für Chemie.

 

Ursprünglich hatten die Franzosen Irène Joliot-Curie und Frédéric Joliot (Nobelpreis 1935) und der Italiener Enrico Fermi (Physiknobelpreis 1938) die ersten Experimente zur Herstellung neuer Elemente durchgeführt, als sie Atome mit Alpha-Teilchen oder Neutronen beschossen. Problemlos konnten sie damit neue Isotope herstellen. Dabei handelte es sich aber jeweils um bereits bekannte Elemente mit einer anderen Zahl von Neutronen. Neue Elemente jenseits des Urans konnte niemand nachweisen. Zwar glaubten Otto Hahn (Nobelpreis 1944) und Lise Meitner anfangs, Transurane produziert zu haben, als sie Uran mit Neutronen beschossen. Diese sollten nach Vorhersagen der Theoretiker ähnliche Eigenschaften wie das Uran selbst haben — verhielten sich aber in Wirklichkeit völlig anders. Es kostete die Wissenschaftler einige Mühe, die tatsächlichen Vorgänge aufzuklären: Der Kern des Uranatoms hatte bei diesem Beschuss keine Neutronen aufgenommen, sondern war von diesen gespalten worden. Im Prinzip schien das Experiment der deutschen Wissenschaftler demnach völlig misslungen zu sein.

 

 Jenseits des Urans

 

Erst später stellte sich heraus, dass Hahn und Meitner statt eines Misserfolgs sogar einen doppelten Erfolg feiern konnten: Sie hatten nicht nur die Kernspaltung entdeckt, sondern auch tatsächlich Transurane erzeugt, neue Elemente, die schwerer als das Uran waren. Nur konnten sie diese nicht nachweisen. Das gelang erst Edwin McMillan, als er im Mai 1940 erneut das Uranisotop 238 mit Neutronen bestrahlte. Einige der Neutronen bleiben bei diesem Vorgang im Urankern stecken, ein neues Uranisotop 239 enteht. Nach nur 23,5 Minuten ist bereits die Hälfte dieses neuen Isotops zerfallen. Dabei wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton um, während gleichzeitig ein Elektron aus dem Kern herausschießt. Statt 92 Protonen wie das Uran enthält der Atomkern nun also 93 Protonen, während das Atomgewicht mit 239 praktisch gleich geblieben ist. Die Zahl der Protonen aber bestimmt die chemischen Eigenschaften eines Elements. Demnach war bei McMillans Versuch ein neues Element jenseits des Urans entstanden.

 

 Astronomische Namen

 

Den Namen des neuen Elements entnahmen die Physiker der Astronomie: Im Planetensystem folgt auf den siebten Planeten Uranus der achte, Neptun. Folgerichtig heißt das neue Element mit 93 Protonen im Kern Neptunium. Auch der Kern von Neptunium 239 ist nicht stabil, nach zwei Tagen und achteinhalb Stunden ist die Hälfte dieses Isotops zerfallen. Genau wie im Uran 239 wandelt sich auch im Neptunium 239 ein Neutron in ein Proton um — ein weiteres Element jenseits des Urans mit 94 Protonen im Kern entsteht, wie Glenn Seaborg 1941 nachweisen konnte. Auch dieses Isotop ist radioaktiv. Allerdings zerfällt erst nach 24 110 Jahren die Hälfte seiner Atome, sodass Chemiker mit dem neuen Element gut arbeiten können. Nach dem neunten Planeten des Sonnensystems heißt dieses Element Plutonium. Ähnlich wie Uran lässt sich auch Plutonium mithilfe von Neutronen spalten, dabei wird viel Energie frei. Plutonium wird daher als Kernbrennstoff in Atomreaktoren und als Sprengstoff in Atombomben verwendet. Angesichts dieser Nutzungsmöglichkeiten verwundert es nicht, dass McMillan und Seaborg während des Zweiten Weltkriegs in die militärische Forschung eingebunden waren. So leitete Seaborg von 1942 bis 1946 die Plutoniumforschung des so genannten Manhattan-Projekts. Unter diesem Namen lief in den USA die Entwicklung der Atombombe.

 

Bis 1958 konnten Glenn Seaborg und seine Mitarbeiter insgesamt neun Transurane herstellen. Andere Forscher entdeckten weitere dieser Sonderlinge. Es wird allerdings immer schwieriger, die neuen Elemente zu handhaben, je schwerer sie werden. Bis zum Element 99, dem Einsteinium, haben diese Substanzen immerhin noch Halbwertszeiten von über einem Jahr. Nach einem Jahr ist demnach die Hälfte der ursprünglichen Menge zerfallen, mit dem Rest kann weiter gearbeitet werden. Bei den folgenden Elementen werden die Halbwertszeiten erheblich kürzer: Das stabilste Isotop des Elements 100 (Fermium) hat eine Halbwertszeit von 100 Tagen, beim Mendelejewium (Element 101) sind es noch knapp 32 Tage, beim Nobelium (Element 102) liegt die Halbwertszeit sogar unter einer Stunde, während das nach seinem Entdecker Seaborg benannte Element 106 bestenfalls noch eine Halbwertszeit von einer halben Minute aufweist.

 

Zwei Probleme verhinderten lange Zeit die Entdeckung weiterer Elemente: Längst genügte es nicht mehr, mit Neutronen oder Heliumkernen schwere Atomkerne zu beschießen, um neue Elemente zu produzieren. Nur wenn man Blei-208-Kerne mit Titan-50-Kernen verschmilzt, lässt sich zum Beispiel das Element 104 einfach herstellen. Methoden zur dazu nötigen sanften Verschmelzung mussten aber erst entwickelt werden. Obendrein sind die neuen Elemente umso kurzlebiger, je schwerer sie werden. Dementsprechend schwierig ist ihr Nachweis. Vor allem die Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt entwickelte diese Technik bis zur Perfektion weiter. Den Wissenschaftlern dort gelang es zwischen 1981 und 1984, die Elemente 107 (Nielbohrium), 108 (Hassium) und 109 (Meitnerium) herzustellen. Zwischen 1994 und 1996 folgten die Elemente 110, 111 und 112. Letzteres wurde durch die Verschmelzung von Blei 208 mit Zink 70 hergestellt.

 

Seither aber haben wieder die Amerikaner die Vorherrschaft bei der Synthese superschwerer Elemente übernommen. Bis zum Jahr 1999 gelangten sie sogar bis zum Element 118. Nachweisen konnten sie vor allem, dass die Atome um das Element 114 besonders stabil sind. Genau das hatten Theoretiker längst prognostiziert. Allerdings misst sich diese Stabilität nicht in den erhofften Jahrmillionen, was neue Werkstoffe erahnen ließe, sondern eher im Sekundenbereich.