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Discerning the basic properties of the world’s rarest element

08/01/2020

Ein internationales Forschungsteam, an dem auch ein Physiker der Universität Jena beteiligt war, hat zum ersten Mal die sogenannte Elektronenaffinität des chemischen Elements Astat gemessen. Das radioaktive Element Astat ist das seltenste natürlich vorkommende Element der Erde, nur ca. 40 Gramm existieren auf der Erde. Das Forschungsergebnis ermöglicht zum einen den Zugang zu bisher unbekannten Eigenschaf­ten dieses Elements und das Testen theoretischer Modelle. Zum anderen ist es von großem Interesse für die Tumorbehandlung bei der gezielten Alpha-Therapie (Targeted Alpha Thera­py). Dabei wird Astat an organische Moleküle angedockt, welche es direkt zum Tumor trans­portieren und dort mittels Alphazerfall zerstören. Dazu ist es notwendig, die chemischen Eigenschaften zu kennen, die nun in der Fachzeitschrift „Nature Communica­tions“ veröffentlicht worden sind.

Obwohl Astat bereits in den 1940er Jahren entdeckt wurde, beruht die Kenntnis seiner Eigen­schaf­ten vorwiegend auf theoretischen Berechnungen oder auf der Ableitung der Eigenschaf­ten seiner Verwandten im Periodensystem. Der Grund dafür ist, dass Astat auf der Erde rar ist und die winzigen Mengen des Elements, die im Labor hergestellt werden können, den Ein­satz traditioneller Techniken zur Messung seiner Eigenschaften verhindern. Eine be­merkens­werte Ausnahme war eine frühere Messung der Ionisierungsenergie des Elements an der ISOLDE-Anlage am europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf.

In er aktuellen ISOLDE-Studie wurden negative Ionen von radioaktivem Astat produziert und mittels Laser neutralisiert. An der Untersuchung der Strahlzeit bei ISOLDE und der Auswer­tung war auch Dr. Oliver Forstner von der Friedrich-Schiller-Universität und dem Helmholtz-Institut Jena beteiligt. Er ist Experte für das Thema negative Ionen und ihr Photodetachment mittels Laser. Durch Variation der Wel­lenlänge an ISOLDE konnte schließlich die Elektronen­affinität von Astat gemessen wer­den: Der Wert beträgt 2,41578 eV. Die­ser Wert zeigt, dass die Elektro­nen­affinität von Astat die geringste aller Halogene ist, aber dennoch größer als die aller an­deren bisher gemesse­nen Elemente außerhalb der Halogen­familie.

Darüber hinaus konnte das Team weitere Eigenschaften von Astat bestimmen, zum Beispiel seine Elektronegativität. Diese Eigenschaften sind für Studien relevant, die den möglichen Einsatz von Astat in der gezielten Alpha-Therapie untersuchen.

Die Elektronenaffinität ist die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Elektron an ein neutrales Atom in der Gasphase angefügt wird, um ein negatives Ion zu bilden. Sie ist eine der grund­le­gendsten Eigenschaften eines chemischen Elements. Zusammen mit der Ionisationsenergie – der Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus dem Atom zu entfernen – definiert sie mehrere andere Eigenschaften eines Elements, wie seine Elektronegativität – die Fähigkeit des Elements, gemeinsame Elektronen in chemischen Bindungen zwischen Atomen anzu­ziehen. (Ana Lopes/Axel Burchardt, FSU Jena)

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