Das letzte Element

Mit dem Element 118 – Oganesson – ist die unterste Zeile des Periodensystems vollständig. Die siebte Periode ist nun komplett gefüllt. Wäre die Natur „ordentlich“, wäre die Bandbreite möglicher Elemente damit ausgeschöpft. Aber ist das wirklich so? Was spricht dagegen, dass es nicht auch eine achte Periode geben könnte?

Je mehr Protonen ein Atomkern hat, desto größer wird ihre abstoßende Wirkung. © koya79/ iStock.com

Das Problem der Abstoßung

Ein großes Problem ist schiere Größe der Atomkerne. Bei kleineren, stabilen Elementen hält die starke Kernkraft die positiv geladenen Protonen trotz ihrer gegenseitigen Abstoßung zusammen. Doch je mehr Protonen im Kern zusammenkommen, desto stärker wird die abstoßende Kraft ihrer Ladungen. Die Kernkraft allein reicht dann nicht mehr aus, um den Atomkern zu stabilisieren.

Hier kommen die Neutronen ins Spiel. Sie sind ungeladen und wirken dadurch als Puffer zwischen den Protonen. Je größer jedoch ein Atomkern wird, desto mehr Neutronen werden nötig, um ihn zu stabilisieren. Deshalb ist das Isotop Calcium-40 mit 20 Protonen und 20 Neutronen im Kern zwar noch stabil. Doch schwerere Elemente benötigen mit steigender Protonenzahl immer mehr Neutronen im Kern, um nicht zu zerfallen. Blei, das schwerste nicht radioaktive Element im Periodensystem, hat in seinem schwersten stabilen Isotop neben 82 Protonen immerhin schon 126 Neutronen im Kern.

Für die Elementmacher bedeutet dies, dass sie möglichst neutronenreiche Isotope als Ausgangsmaterial nehmen müssen – nur dann besteht die Hoffnung, dass die resultierenden Kerne wenigstens halbwegs stabil sind.

Schrumpfende Halbwertszeiten

Doch ab Blei reicht auch der stabilisierende Einfluss der Neutronen nicht mehr aus, um die abstoßende Kraft der Protonen auszugleichen. Die Atomkerne aller schwereren Elemente zerfallen im Laufe der Zeit – sie sind radioaktiv. Je nach Typ geben sie im Alpha-Zerfall Heliumkerne ab oder aber sie teilen sich in zwei leichtere Kerne. Je weiter man im Periodensystem voranschreitet, desto kurzlebiger werden die Elemente.

Schwere radioaktive Atomkerne zerfallen meist mittels Alphastrahlung – sie geben einen Heliumkern ab. © Inductiveload/ gemeinfrei

Hat das stabilste Isotop des Plutoniums noch eine Halbwertszeit von 80 Millionen Jahren, schrumpft diese bei den nächstfolgenden Elementen auf nur noch wenige tausend Jahre. Das Einsteinium mit Ordnungszahl 99 zerfällt schon nach wenig mehr als einem Jahr zur Hälfte und ab Fermium (100) bemisst sich die Halbwertszeit nur noch in Sekunden und Millisekunden. Die superschweren Elemente zerfallen damit so schnell, dass sie teilweise nur noch indirekt über ihre Zerfallskette nachgewiesen werden können.

Die Zeitgrenze

Damit stoßen die Elemente irgendwann an eine natürliche Grenze: Zerfällt ein Kern so schnell, dass er keine Zeit hat, Elektronen um sich zu sammeln, bildet er kein vollständiges Atom. Per Definition ist ein solcher Kern daher auch kein Element. „Es macht keinen Sinn, von einem Element zu sprechen, wenn es keine Außenelektronen hat und damit die Träger der chemischen Eigenschaften fehlen“, konstatiert die International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC), die Zentralorganisation, die das Periodensystem und seine Neuzugänge verwaltet.

Nach den Regeln der IUPAC muss ein Atomkern daher mindestens zehn Billiardstel Sekunden existieren (10^-14 Sekunden). Noch ist demnach Luft nach unten: Das schwerste bekannte Element Oganesson hat eine Halbwertzeit von 0,89 Millisekunden. Rein theoretisch könnten daher weitere Elemente erzeugt und nachgewiesen werden. Doch es gibt noch einen weiteren limitierenden Faktor…