Einsteinium (Es) – Eigenschaften, Entdeckung und Verwendung

Einsteinium ist eines der seltensten und ungewöhnlichsten Elemente des Periodensystems. Das künstlich hergestellte, hochradioaktive Metall mit dem chemischen Symbol Es und der Ordnungszahl 99 gehört zur Gruppe der Actinoide. Es wurde nicht in einem gewöhnlichen chemischen Labor entdeckt, sondern erstmals in den radioaktiven Rückständen einer Wasserstoffbombenexplosion nachgewiesen.

Benannt wurde das Element nach dem Physiker Albert Einstein (1879–1955), dessen Arbeiten das wissenschaftliche Verständnis von Energie und Materie entscheidend geprägt haben. Einsteinium besitzt keine kommerziellen Anwendungen. Seine Bedeutung liegt vor allem in der Erforschung schwerer Atomkerne und der Chemie der Actinoide.

Einsteinium im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Da Einsteinium keine stabilen Isotope besitzt, lässt sich kein natürliches Standardatomgewicht bestimmen. Die Angabe [252] bezeichnet die Massenzahl eines ausgewählten Isotops und nicht die durchschnittliche Atommasse einer natürlichen Isotopenmischung.

Im Online-Periodensystem von blume steht Einsteinium zwischen Californium (Cf, Ordnungszahl 98) und Fermium (Fm, Ordnungszahl 100).

Entdeckung 1952 – ein neues Element in den Rückständen einer Wasserstoffbombe

Die Entdeckung von Einsteinium gehört zu den außergewöhnlichsten Geschichten der Chemie.

Am 1. November 1952 führten die USA auf dem Enewetak-Atoll im Pazifik den ersten vollständigen Test einer thermonuklearen Wasserstoffbombe durch. Der Versuch trug den Namen Ivy Mike.

Bei der Explosion wurden schwere Atomkerne einem extrem intensiven Neutronenfluss ausgesetzt. Einige Uran-238-Kerne nahmen innerhalb kürzester Zeit zahlreiche Neutronen auf. Durch anschließende Beta-minus-Zerfälle entstanden neue Elemente mit höheren Ordnungszahlen.

Wissenschaftler untersuchten die radioaktiven Rückstände der Explosion. Dabei gelang einer Forschergruppe um Albert Ghiorso der Nachweis des bis dahin unbekannten Elements 99.

An der Entdeckung waren unter anderem Albert Ghiorso, Stanley G. Thompson, Gregory R. Choppin und Bernard G. Harvey beteiligt. Die Ergebnisse wurden zunächst geheim gehalten und erst 1955 veröffentlicht.

Das zuerst nachgewiesene Isotop war Einsteinium-253.

Die Entdeckung verdeutlichte, dass unter extremen Bedingungen Atomkerne entstehen können, die in der Natur der heutigen Erde praktisch nicht vorkommen.

Warum heißt das Element Einsteinium?

Einsteinium wurde nach Albert Einstein benannt. Der Physiker entwickelte die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie und formulierte mit der Gleichung

E = mc²

einen grundlegenden Zusammenhang zwischen Masse und Energie.

Diese Gleichung beschreibt auch eine wichtige Grundlage der Kernphysik: Bei Kernreaktionen kann ein kleiner Unterschied zwischen der Masse der Ausgangsstoffe und der Masse der Reaktionsprodukte einer erheblichen Energiemenge entsprechen.

Die Namensgebung würdigt Einsteins wissenschaftliche Leistungen. Sie bedeutet allerdings nicht, dass Einstein persönlich an der Entdeckung oder Herstellung des Elements beteiligt war.

Eigenschaften und chemisches Verhalten

Einsteinium ist ein silbrig-weißes, radioaktives Metall. Seine chemischen Eigenschaften sind nur teilweise bekannt, weil es ausschließlich in äußerst kleinen Mengen hergestellt werden kann.

In chemischen Verbindungen tritt Einsteinium überwiegend in der Oxidationsstufe +3 auf. Auch die Oxidationsstufe +2 ist bekannt.

Die Chemie des Elements ähnelt in bestimmten Bereichen derjenigen benachbarter Actinoide und dreiwertiger Lanthanoide. Seine Elektronenkonfiguration lautet:

[Rn] 5f¹¹ 7s²

Besonders schwierig ist die Untersuchung metallischen Einsteiniums. Seine Isotope zerfallen radioaktiv und setzen dabei Energie frei. Die entstehende Strahlung kann das Material selbst verändern und die Kristallstruktur schädigen.

Viele physikalische Eigenschaften sind deshalb weniger genau bekannt als bei gewöhnlichen Metallen.

Herstellung und wichtige Isotope

Einsteinium wird heute hauptsächlich in speziellen Kernreaktoren durch intensive Neutronenbestrahlung schwerer Elemente hergestellt.

Dabei nehmen Atomkerne wiederholt Neutronen auf. Durch anschließende radioaktive Zerfälle können Kerne mit höheren Protonenzahlen entstehen. Das Ergebnis ist ein Gemisch unterschiedlicher radioaktiver Stoffe, aus dem Einsteinium durch aufwendige radiochemische Verfahren abgetrennt werden muss.

Alle bekannten Einsteiniumisotope sind instabil.

Die Halbwertszeit bezeichnet den Zeitraum, in dem statistisch die Hälfte einer ursprünglichen Anzahl radioaktiver Atomkerne zerfällt.

Bei Einsteinium-253 beträgt sie nur etwa 20,5 Tage. Das bedeutet, dass eine Probe innerhalb weniger Wochen einen erheblichen Teil ihrer ursprünglichen Einsteinium-253-Atome verliert.

Für wissenschaftliche Untersuchungen ist dies eine große Herausforderung: Das Material muss nicht nur hergestellt und gereinigt, sondern auch möglichst schnell untersucht werden.

Wofür wird Einsteinium verwendet?

Einsteinium besitzt keine kommerziellen oder alltäglichen Anwendungen. Seine Bedeutung liegt ausschließlich in der wissenschaftlichen Forschung.

Es wird insbesondere verwendet, um die chemischen Eigenschaften schwerer Actinoide zu untersuchen und neue Erkenntnisse über die Stabilität schwerer Atomkerne zu gewinnen.

Einsteiniumisotope können außerdem als Ausgangsmaterial für Kernreaktionen dienen, bei denen noch schwerere Elemente entstehen.

Historisch besonders bedeutend war die Herstellung von Mendelevium (Md, Ordnungszahl 101) im Jahr 1955. Dabei wurde Einsteinium-253 mit Alphateilchen beschossen. So gelang die Erzeugung eines weiteren bis dahin unbekannten Elements.

Die Untersuchung von Einsteinium trägt außerdem zum Verständnis der Elektronenstruktur schwerer Elemente bei. Selbst kleinste Stoffmengen können hierfür wertvolle wissenschaftliche Informationen liefern.

Radioaktivität und Strahlenschutz

Einsteinium ist hochradioaktiv. Die meisten seiner Isotope zerfallen hauptsächlich durch Alphazerfall, wobei je nach Isotop weitere Zerfallsarten auftreten können.

Alphastrahlung lässt sich außerhalb des Körpers vergleichsweise leicht abschirmen. Gelangen Alphastrahler jedoch durch Einatmen, Verschlucken oder Verletzungen in den Körper, können sie das umliegende Gewebe erheblich schädigen.

Zusätzlich erschweren die Strahlungsleistung und die begrenzte Haltbarkeit der Isotope den Umgang mit dem Element.

Einsteinium wird deshalb ausschließlich in speziell ausgestatteten Forschungseinrichtungen untersucht. Für den Schulunterricht eignet es sich als Beispiel für künstliche Elemente, Kernreaktionen, Isotope und radioaktiven Zerfall, nicht jedoch als Experimentiermaterial.

Fazit – ein Element an der Grenze des Periodensystems

Einsteinium ist ein seltenes, künstliches und hochradioaktives Element, das 1952 in den Rückständen einer Wasserstoffbombenexplosion entdeckt wurde. Es trägt den Namen Albert Einsteins und gehört zu den Actinoiden.

Obwohl Einsteinium keine praktische Verwendung im Alltag besitzt, ist es für die Grundlagenforschung von Bedeutung. Seine Isotope ermöglichen Untersuchungen schwerer Atomkerne und dienen als Ausgangsmaterial für die Herstellung weiterer Transurane.

Einsteinium zeigt eindrucksvoll, dass das Periodensystem nicht nur die bekannten Stoffe unserer Umwelt beschreibt, sondern auch Elemente umfasst, die Wissenschaftler erst durch aufwendige Kernreaktionen erzeugen können.

Die Stellung von Einsteinium und den übrigen Actinoiden lässt sich im Online-Periodensystem von blume nachvollziehen. Für die Vermittlung solcher Zusammenhänge im Unterricht eignen sich außerdem unsere Periodensysteme für Schulen und Universitäten.

Wissenschaftliche Quellen und weiterführende Literatur

Grundlagenliteratur:

Gray, Theodore (2013): Die Elemente. Bausteine unserer Welt. Köln: Komet Verlag. ISBN 978-3-86941-000-5.

Quadbeck-Seeger, Hans-Jürgen (2006): Die Welt der Elemente – Die Elemente der Welt. 1. Auflage. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-31789-9.

Wissenschaftliche Datenbanken und Fachquellen:

• Royal Society of Chemistry – Einsteinium: Entdeckung, Eigenschaften und Verwendung.

• IUPAC – Periodic Table of Elements: Systematik und Elementbezeichnungen.

• National Nuclear Data Center (NNDC): Kerndaten, Halbwertszeiten und radioaktive Zerfallsarten.

• Lawrence Berkeley National Laboratory: Geschichte der Transuranforschung und Untersuchungen schwerer Elemente.

• Oak Ridge National Laboratory: Herstellung und Erforschung schwerer radioaktiver Isotope.

Hinweis: Die angegebenen Halbwertszeiten und physikalischen Eigenschaften sind gerundet. Bei seltenen künstlichen Elementen beruhen einzelne Materialdaten auf Messungen mit sehr kleinen Proben oder auf wissenschaftlichen Abschätzungen.