Astat ist das seltenste Element der Erde, denn es ist kurzlebig und kommt in der Natur kaum vor. Unter anderem deshalb waren viele chemische Eigenschaften dieses radioaktiven Elements bisher unbekannt. Einem internationalen Forscherteam ist es jetzt mit Hilfe eines Experiments am Forschungszentrum CERN bei Genf gelungen, einige wichtige Merkmale des Astats zu klären. Das eröffnet unter anderem Anwendungen dieses Elements beispielsweise in der Krebstherapie, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Astat trägt die Ordnungszahl 85 und gehört damit zu den schweren Elementen. Schon Dmitri Mendelejew sagt im Jahr 1869 voraus, dass es in der siebten Hauptgruppe des Periodensystems unter Jod noch ein Element geben müsse, dieses aber noch nicht entdeckt sei. Erst 1940 gelang es dem US-Chemiker Dale Corson und seine Kollegen, das Element durch Beschuss von Bismut mit Heliumkernen künstlich herzustellen und nachzuweisen. Seinem Namen Astat – „unbeständig“ macht es dabei alle Ehre, denn selbst das stabilste Isotop dieses Elements hat nur eine Halbwertszeit von 8,1 Stunden. Die restlichen 19 sind deutlich kurzlebiger und zerfallen schnell.
Elektronenraub im Laserlicht
Jetzt hat ein Forscherteam am CERN eine entscheidende chemische Eigenschaft des Astats enträtselt: sein Ionisations-Potenzial. Es gibt an, wie viel Energie benötigt wird, um einem Atom dieses Elements eines seiner Außenelektronen zu rauben. Genau dieser Vorgang ist die Grundlage jeder chemischen Bindung und beeinflusst daher, wie und mit wem sich das Element zu einem Molekül zusammenlagert und wie stabil dieser Bindung ist.
Für ihr Experiment erzeugten die Wissenschaftler zunächst Astat-Isotope, indem sie ein Zielmaterial mit einem energiereichen Protonenstrahl beschossen. Gleichzeitig wurde das neu entstandene Astat Laserstrahlen steigender Energie ausgesetzt. Das Atom nimmt Photonen auf und ist die Energiemenge erreicht, bei der sich ein Elektron aus seinem Orbit löst, bildet sich ein Astat-Ion. Nachgewiesen werden diese Ionen wiederum mit einer speziellen Methode der Spektroskopie. „Die sogenannte In-Source-Laser-Spektroskopie ist die heute sensitivste Methode, um atomare Eigenschaften von extrem kurzlebigen Isotopen zu untersuchen“, erklärt Valentine Fedosseev vom CERN.
Radius und exotischer Zerfall
Mit Hilfe dieser Messungen gelang es den Forschern erstmals, den Übergang zwischen dem Grundzustand und dem ionisierten Zustand bei Astat zu beobachten. Dabei zeigte sich, dass das Element dabei einem dreischrittigen Ionisierungsschema folgt. „Dadurch haben wir mehrere neue Phänomene entdeckt, darunter den Radius der Atomkerne des Astats und eine sehr exotische Form des Atomzerfalls“, sagt Andrei Andreyev von der University of York.
Solche Kenntnisse könnten dazu beitragen, mögliche Anwendungen von Astat in der Medizin zu klären. „Astat ist ein interessanter Kandidat für einen Alphastrahler in der Krebsmedizin“, erläutert Andreyev. Denn das kurzlebige radioaktive Element könnte sich gut dazu eignen, Krebstumore durch direkten Kontakt zu bestrahlen, indem das Mittel gezielt in den Tumor injiziert wird. Die am Astat ausprobierte Messmethode könne aber auch dazu dienen, zukünftig auch superschwere Elemente wie das künstlich erzeugte Element 117 näher zu untersuchen, hofft der Forscher. (Nature Communications, 2013; doi: 10.1038/ncomms2189)
(University of York, 15.05.2013 – NPO)
