Seltenstes Element der Erde 27.06.2013, 14:49 Uhr

Erstmals erfolgreiche Astat-Vermessung

Astat ist das seltenste Element, das auf der Erde vorkommt. Dementsprechend gering war bisher auch der Kenntnisstand über Astat. Jetzt ist einem Forscherteam des Instituts für Physik an der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz die Lasermessung der atomaren Bindungsenergie von Astat gelungen. 

Blick in das Mainzer Lasersystem.

Blick in das Mainzer Lasersystem.

Foto: Pascal Naubereit

Wie extrem selten Astat wirklich ist, geht schon allein daraus hervor, dass der Erdmantel nur 0,07 Gramm dieses Elements aufweist. Dies erklärt sich daraus, dass Astat beim natürlichen Zerfall von Uran entsteht und eine Halbwertszeit von lediglich maximal acht Stunden aufweist. Seiner Seltenheit verdankt Astat auch den Namen, der sich aus dem griechischen Wort für ‚instabil‘ ableitet. Astat gehört zur Gruppe der Halogene wie Chlor, Fluor und Iod.

Besonders für Krebstherapie interessant

Bislang sind mehr als 20 Astat-Isotope bekannt. Beim Zerfall von Astat entsteht eine Alpha-Strahlung. Letztere macht in Verbindung mit der extremen Kurzlebigkeit Astat für eine gezielte Krebstherapie ganz besonders interessant. Das Interesse der Pharmawirtschaft an Astat konzentriert sich in dabei vor allem auf dessen Isotop 211. Letzteres bietet für die Krebsbehandlung wesentliche Vorteile. Das beginnt mit einer äußerst aggressiven Alpha-Strahlung und reicht über die kurze Reichweite dieser Strahlung bis hin zur Zugehörigkeit zur Gruppe der Halogene. Letztere ist von großem Nutzen, weil sich damit das Astat Isotop 211 besonders gut in den menschlichen Körper einschleussen und direkt an die Krebszellen andocken lässt.

Für die Arbeiten des Mainzer Physikers Sebastian Rothe wurde ein künstlich erzeugtes Astat verwandt. Rothe gelang es das Ionisationspotenzial des Elements zu ermitteln. Das ist die Bindungsenergie, die erforderlich ist, um ein Elektron aus der äußeren Schale eines Atoms zu entfernen. De facto bestimmt diese Bindungsenergie die chemischen Reaktionen sowie deren Stabilität, wenn das jeweilige Element an diesen Vorgängen beteiligt ist.

Am Genfer CERN-Institut Messungen durchgeführt

Mittels Laserspektroskopie ergab sich für Astat ein Wert von 9,31751 Elektronenvolt (eV). Die entsprechenden Messungen wurden mit speziellen Lasern der Arbeitsgruppe Larissa (Laser Resonanz Ionisation für Spektroskopie in selektiven Anwendungen) aus Mainz am CERN-Institut in Genf vorgenommen. Dabei wurde das äußerste Valenzelektron eines Astat-Atoms stufenweise Laserlicht ausgesetzt. Das reichte schließlich bis zur Ionisation. Alle angeregten Zustände wurden dabei vermessen. Die Arbeiten der Mainzer Forscher in Genf wurden anschließend vom kanadischen Forschungszentrum für Teilchen- und Kernphysik TRIUMF in Vancouver erweitert und in den Ergebnissen bestätigt.

Wie Rothe betont, war Astat das letzte natürlich vorkommende Element auf der Erde, dessen Ionisationspotenzial bisher noch nicht experimentell ermittelt und bestimmt worden war. Möglich wurden die geschilderten Messungen durch die Arbeiten des Mainzer Physikers Professor Ernst Otten. Er hatte schon vor 30 Jahren am Isotopen-Massenseparator Isolde von CERN Messungen vorgenommen. Inzwischen wird das auf diesen Anfängen aufbauende Larissa-Verfahren mit dem Mainzer Laser-System in weiten Teilen der Welt in der Produktion und Untersuchung exotischer Radioisotope eingesetzt.

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