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.

Grundlegende Eigenschaften des seltensten Elements der Erde enthüllt

Zu selten für die Forschung

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 der 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.

Physiker der Universität Jena an grundlegendem Experiment am CERN beteiligt Hohe Relevanz für die Tumorbehandlung

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.

Elektronenaffinität

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.

Original-Publikation:

David Leimbach, Sebastian Rothe, Oliver Forstner et al.: The electron affinity of astatine, Nature Communications, volume 11, Article number: 3824 (2020), https://doi.org/10.1038/s41467-020-17599-2

Info, FSU JENA // Axel Burchardt

Die Anlage für kollineare ResonanzIonisationsSpektroskopie (CRIS) in der kernphysikalischen Einrichtung ISOLDE des CERN. (Foto: Maximilien Brice/CERN)