Fermium (Fm) – Eigenschaften, Entdeckung und Fermium-Barriere

Fermium ist das 100. Element des Periodensystems und gehört zu den seltensten künstlich hergestellten Elementen. Das hochradioaktive Element mit dem chemischen Symbol Fm wurde 1952 erstmals in den Rückständen einer Wasserstoffbombenexplosion nachgewiesen. Benannt wurde es nach dem bedeutenden Kernphysiker Enrico Fermi.

Fermium besitzt keine praktischen Anwendungen außerhalb der wissenschaftlichen Forschung. Dennoch ist es für die Kernphysik besonders interessant: Bestimmte Fermiumisotope markieren eine Grenze, an der die Herstellung noch schwererer Elemente durch aufeinanderfolgende Neutroneneinfänge erheblich erschwert wird.

Fermium im Periodensystem – die wichtigsten Daten

Die Angabe [257] bezeichnet die Massenzahl eines ausgewählten langlebigen Isotops. Da Fermium keine stabilen Isotope besitzt, lässt sich kein natürliches Standardatomgewicht bestimmen.

Im Online-Periodensystem von blume steht Fermium zwischen Einsteinium (Es, Ordnungszahl 99) und Mendelevium (Md, Ordnungszahl 101).

Entdeckung 1952 – ein Element aus einer Wasserstoffbombenexplosion

Die Entdeckung von Fermium ist eng mit derjenigen von Einsteinium verbunden.

Am 1. November 1952 führten die USA auf dem Enewetak-Atoll im Pazifik den thermonuklearen Test Ivy Mike durch. Bei der Explosion wurden schwere Atomkerne einem außergewöhnlich intensiven Neutronenfluss ausgesetzt.

Einige Uran-238-Kerne nahmen innerhalb sehr kurzer Zeit zahlreiche Neutronen auf. Durch anschließende Beta-minus-Zerfälle entstanden Atomkerne mit höheren Ordnungszahlen.

Bei der Untersuchung der radioaktiven Rückstände gelang einer Forschergruppe um Albert Ghiorso der Nachweis des Elements 100. An den Arbeiten waren unter anderem Stanley G. Thompson, Gregory R. Choppin und Bernard G. Harvey beteiligt.

Das zuerst identifizierte Isotop war Fermium-255 mit einer Halbwertszeit von ungefähr 20 Stunden.

Die Entdeckung wurde zunächst geheim gehalten. Erst 1955 wurden die Ergebnisse veröffentlicht.

Fermium war damit eines der ersten Elemente, dessen Existenz durch die Analyse der Rückstände einer thermonuklearen Explosion nachgewiesen wurde.

Warum heißt das Element Fermium?

Fermium wurde nach Enrico Fermi (1901–1954) benannt, einem italienisch-amerikanischen Physiker und Nobelpreisträger.

Fermi gehörte zu den bedeutendsten Wegbereitern der modernen Kernphysik. Er untersuchte unter anderem die Wirkung von Neutronen auf Atomkerne und leitete 1942 in Chicago den Bau des ersten kontrolliert betriebenen Kernreaktors, Chicago Pile-1.

Seine Arbeiten waren entscheidend für das Verständnis von Kernreaktionen und der technischen Nutzung der Kernenergie.

Die Namensgebung ist deshalb besonders passend: Fermium entstand durch Kernreaktionen, deren wissenschaftliche Grundlagen Fermi maßgeblich mitentwickelt hatte.

Eigenschaften und chemisches Verhalten

Über die physikalischen Eigenschaften von Fermium ist vergleichsweise wenig bekannt. Das liegt vor allem daran, dass das Element nur in winzigen Mengen hergestellt werden kann.

Bislang stehen keine ausreichend großen Mengen zur Verfügung, um die Eigenschaften eines makroskopischen Stücks metallischen Fermiums zuverlässig zu untersuchen. Angaben zu Dichte, Schmelzpunkt oder Aussehen beruhen daher häufig auf theoretischen Abschätzungen.

Die chemischen Eigenschaften lassen sich dagegen anhand kleinster Stoffmengen erforschen.

Fermium gehört zu den Actinoiden und besitzt die Elektronenkonfiguration:

[Rn] 5f¹² 7s²

In wässrigen Lösungen tritt Fermium überwiegend in der Oxidationsstufe +3 auf. Unter geeigneten Bedingungen kann auch Fermium(II) gebildet werden.

Seine Chemie ähnelt in einigen Bereichen derjenigen der benachbarten Actinoide und der Lanthanoide.

Herstellung und wichtige Isotope

Fermium wird künstlich durch Kernreaktionen hergestellt. In speziellen Hochflussreaktoren können schwere Ausgangsnuklide wiederholt Neutronen aufnehmen. Anschließende radioaktive Zerfälle führen zur Bildung neuer Elemente.

Die Herstellung ist äußerst aufwendig. Die entstehenden Fermiumisotope müssen aus einem Gemisch zahlreicher radioaktiver Stoffe abgetrennt werden.

Alle bekannten Fermiumisotope sind radioaktiv.

Die Halbwertszeit beschreibt den Zeitraum, nach dem statistisch die Hälfte einer ursprünglichen Anzahl radioaktiver Atomkerne zerfallen ist.

Besonders interessant ist der enorme Unterschied zwischen den Halbwertszeiten einzelner Fermiumisotope. Während Fermium-257 über mehrere Monate bestehen kann, zerfällt Fermium-258 innerhalb eines winzigen Sekundenbruchteils.

Dieser Unterschied ist entscheidend für die sogenannte Fermium-Barriere.

Die Fermium-Barriere – eine Grenze bei der Herstellung schwererer Elemente

Die Fermium-Barriere gehört zu den wichtigsten Besonderheiten des Elements 100.

Bei der Herstellung schwerer Elemente in Kernreaktoren nehmen Atomkerne wiederholt Neutronen auf. Durch Beta-minus-Zerfälle kann sich dabei die Protonenzahl erhöhen, sodass neue Elemente entstehen.

Dieser Prozess funktioniert jedoch nicht unbegrenzt.

Bei bestimmten schweren Fermiumisotopen wird die spontane Kernspaltung so wahrscheinlich, dass die Atomkerne zerfallen, bevor weitere Neutroneneinfänge und anschließende Zerfälle in ausreichendem Umfang stattfinden können.

Besonders deutlich wird dies bei Fermium-258, dessen Halbwertszeit nur ungefähr 0,37 Millisekunden beträgt.

An dieser Stelle wird die Herstellung noch schwererer Elemente durch gewöhnliche aufeinanderfolgende Neutroneneinfänge in Kernreaktoren praktisch blockiert.

Diese Grenze bezeichnet man als Fermium-Barriere oder Fermium Gap.

Sie bedeutet allerdings nicht, dass Elemente oberhalb von Fermium grundsätzlich nicht hergestellt werden können. Wissenschaftler nutzen dafür andere Verfahren, beispielsweise den Beschuss geeigneter Targetmaterialien mit beschleunigten Ionen.

Auf diese Weise konnten zahlreiche schwerere Elemente bis hin zu den heute bekannten superschweren Elementen erzeugt werden.

Die Fermium-Barriere zeigt somit, dass die Stabilität von Atomkernen wesentlich darüber entscheidet, welche Wege zur Herstellung neuer Elemente möglich sind.

Wofür wird Fermium verwendet?

Fermium besitzt keine kommerziellen oder industriellen Anwendungen.

Seine Bedeutung liegt ausschließlich in der Grundlagenforschung. Wissenschaftler untersuchen Fermium, um mehr über die Eigenschaften schwerer Actinoide, die Stabilität von Atomkernen und die Grenzen der künstlichen Elementsynthese zu erfahren.

Auch die chemische Untersuchung einzelner Fermiumatome oder kleinster Fermium-Mengen liefert wertvolle Informationen über die Elektronenstruktur schwerer Elemente.

Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und der kurzen Halbwertszeiten ist Fermium für technische Anwendungen ungeeignet.

Radioaktivität und Strahlenschutz

Sämtliche bekannten Fermiumisotope sind radioaktiv. Je nach Isotop treten insbesondere Alphazerfall und spontane Kernspaltung auf.

Beim Alphazerfall wird ein Heliumkern ausgesendet. Bei der spontanen Kernspaltung zerfällt der Atomkern dagegen in größere Fragmente, wobei auch Neutronen freigesetzt werden können.

Fermium darf deshalb ausschließlich in speziell ausgestatteten Forschungseinrichtungen untersucht werden. Die Gefährdung hängt vom jeweiligen Isotop, seiner Aktivität und den möglichen Expositionswegen ab.

Für den Chemieunterricht ist Fermium kein Experimentiermaterial. Seine Entdeckung und die Fermium-Barriere eignen sich jedoch hervorragend, um die Themen Isotope, Halbwertszeit, Kernspaltung und künstliche Elemente zu erklären.

Fazit – das 100. Element und eine wichtige Grenze der Kernphysik

Fermium ist ein künstliches, hochradioaktives Element, das 1952 in den Rückständen einer Wasserstoffbombenexplosion entdeckt wurde. Es wurde nach dem Kernphysiker Enrico Fermi benannt und gehört zur Gruppe der Actinoide.

Obwohl Fermium keine praktischen Anwendungen besitzt, ist es für die Wissenschaft von besonderer Bedeutung. Vor allem die Fermium-Barriere verdeutlicht, warum sich immer schwerere Elemente nicht beliebig durch Neutronenbestrahlung herstellen lassen.

Fermium zeigt eindrucksvoll, dass das Periodensystem nicht nur durch die Anzahl der Protonen bestimmt wird, sondern auch durch die Stabilität und die Zerfallseigenschaften der Atomkerne.

Die Stellung von Fermium innerhalb der Actinoide lässt sich im Online-Periodensystem von blume nachvollziehen. Für die Vermittlung dieser Zusammenhänge 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 – Fermium: Entdeckung, Eigenschaften und chemische Einordnung.

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

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

• Lawrence Berkeley National Laboratory: Geschichte der Transuranforschung.

• Oak Ridge National Laboratory: Forschung an schweren radioaktiven Elementen und ihrer Herstellung.

Hinweis: Die angegebenen Halbwertszeiten sind gerundet. Bei Fermium beruhen viele physikalische Materialdaten auf theoretischen Abschätzungen, da bislang keine ausreichend großen Mengen für umfassende Untersuchungen des reinen Metalls zur Verfügung stehen.