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54. Xenon (Xe) - Das Blitzlicht-Gas · Das Periodensystem der Elemente

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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns
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einem Element, das unsichtbar. Geruchlos und in der
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Erdatmosphäre extrem selten ist und das trotzdem in
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Kamerablitzen, autoscheinwerfern, Raumsonden
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und sogar in der Suche nach dunkler Materie eine zentrale
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Rolle spielt. Lehn dich zurück, schließ die
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Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Xenon, dem
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Blitzlichtgas Xenon trägt im Periodensystem das Symbol XE und
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die Ordnungszahl 54. Es gehört zur Gruppe der
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Edelgase, gemeinsam mit Helium, Neon, Argon, Krypton und dem
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radioaktiven Radon Edelgase zeichnen sich dadurch aus, dass
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ihre äußerste Elektronenschale vollständig gefüllt ist.
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Chemiker innen sprechen hier von einer abgeschlossenen
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Valenzschale, wodurch diese Elemente unter normalen
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Bedingungen kaum Verbindungen mit anderen Elementen eingehen.
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Sie gelten deshalb lange Zeit als vollkommen reaktionsträge.
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Ein Ruf, der Xenon, wie wir gleich hören werden, nicht ganz
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gerecht wird. Entdeckt wurde Xenon im Jahr
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1898 von den britischen Chemikern William Ramsey und
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Morris Trevers an der University College London.
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Die beiden Forscher hatten kurz zuvor bereits Krypton und Neon
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isoliert, indem sie flüssige Luft schrittweise verdampfen
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ließen und die dabei entstehenden Gasfraktionen genau
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untersuchten. Bei der Suche nach weiteren bis
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dahin unbekannten Bestandteilen der Luft stießen sie auf einen
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letzten, äußerst seltenen Rückstand.
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Als sie dieses Gas in einer evakuierten Glasröhre einer
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elektrischen Entladung aussetzten, leuchtete es in
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einem intensiven, bläulich weißen Licht auf.
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Ein Anblick, der die beiden Forscher so beeindruckte, dass
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sie das neue Element nach dem griechischen Wort xenos
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benannten, was so viel wie der Fremde oder der Unbekannte
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bedeutet. Diese Namensgebung setzte die
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Tradition fort, die Ramsey und Trevers bereits bei Neon
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begonnen hatten, dessen Name sich vom griechischen Wort für
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neu ableitet. In der Erdatmosphäre ist Xenon
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außerordentlich selten. Auf 1000000 Luftteilchen kommen
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im statistischen Mittel nur etwa 0,09 Xenon Atome, was einem
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Volumenanteil von rund 0,0000087% entspricht.
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Zum Vergleich Argon, das häufigste Edelgas der
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Atmosphäre, macht knapp ein Prozent der Luft aus, ist also
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mehr als hunderttausend mal häufiger als Xenon.
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Aufgrund dieser extremen Seltenheit ist die Gewinnung von
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Xenon aufwendig und entsprechend kostspielig.
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Industriell wird es als Nebenprodukt der
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Luftverflüssigung gewonnen, einem Verfahren, bei dem Luft
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zunächst stark abgekühlt und komprimiert wird, bis sie
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flüssig wird. Durch fraktionierte Destillation
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ein Prozess, bei dem die unterschiedlichen Siedepunkte
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der Luftbestandteile genutzt werden, lassen sich die
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einzelnen Gase nach und nach voneinander trennen.
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Xenon reichert sich dabei in den letzten schwerflüchtigen
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Fraktionen anderer Edelgase an und muss anschließend durch
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weitere Destillationsschritte von Krypton getrennt werden.
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Um nur ein Kilogramm Xenon zu gewinnen, müssen schätzungsweise
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mehrere 100000 Kubikmeter Luft verarbeitet werden, weshalb der
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Preis für Xenon deutlich über dem vieler anderer technischer
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Gase liegt. Interessanterweise gibt Xenon
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Wissenschaftler innen bis heute ein kosmochemisches Rätsel auf,
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das als fehlendes Xenon Paradoxon bekannt ist.
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Vergleicht man die Häufigkeit von Xenon in der Erdatmosphäre
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mit der Häufigkeit anderer Edelgase und mit Modellen zur
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Entstehung des Sonnensystems, so müsste eigentlich deutlich mehr
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Xenon in der Atmosphäre vorhanden sein, als tatsächlich
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gemessen wird. Es fehlt gewissermaßen ein
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erheblicher Anteil des Xenons, das ursprünglich vorhanden
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gewesen sein müsste. Verschiedene Hypothesen
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versuchen dieses Rätsel zu erklären.
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Eine Theorie geht davon aus, dass Xenon unter den enormen
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Druck und Temperaturbedingungen im Erdinneren chemische
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Bindungen mit Eisen oder Nickel eingehen und sich dadurch im
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Erdkern angereichert haben könnte, wo es der heutigen
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Messung entzogen ist. Hochdruckexperimente in Laboren
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haben tatsächlich gezeigt, dass Xenon unter extremen Bedingungen
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mit Eisen reagieren kann. Was diese Hypothese stützt, auch
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wenn die endgültige Klärung des Paradoxons noch aussteht.
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Damit sind wir bereits bei einem Aspekt angekommen, der Xenon von
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den meisten seiner Verwandten in der Gruppe der Edelgase
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unterscheidet. Seiner überraschenden chemischen
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Reaktionsfreudigkeit. Lange galt als gesichert, dass
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Edelgase grundsätzlich keine chemischen Verbindungen eingehen
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können. Diese Annahme wurde im Jahr 1962
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durch den kanadischen Chemiker Neil Bartlett widerlegt.
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Bartlett hatte zuvor beobachtet, dass die Verbindung
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Platinhexafluorid in der Lage ist, molekularem Sauerstoff ein
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Elektron zu entziehen, da die Ionisierungsenergie von Xenon,
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also die Energie, die nötig ist, um einem Atom ein Elektron zu
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entreißen. In einer ähnlichen Größenordnung
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liegt wie die von Sauerstoff vermutete Bartlett, dass Platin
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Hexafluorid auch mit Xenon reagieren könnte.
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Sein Experiment gelang, er stellte die erste bekannte
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Verbindung eines Edelgases her, Xenon Hexafluoroplatinat.
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Diese Entdeckung war eine kleine wissenschaftliche Sensation,
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denn sie zwang Chemiker innen weltweit dazu, das Konzept der
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chemischen Reaktionsträgheit von Edelgasen grundlegend zu
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überdenken. In den folgenden Jahren gelang
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es Forschungsteams, eine ganze Reihe weiterer Xenon
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Verbindungen herzustellen, insbesondere mit Fluor und
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Sauerstoff, den beiden Elementen mit der höchsten
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Elektronegativität im Periodensystem.
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Zu den bekanntesten zählen Xenon, Difluorid, Xenon
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Tetrafluorid und Xenon Hexafluorid, die durch direkte
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Reaktion von Xenon mit Fluorgas unter erhöhtem Druck und
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erhöhter Temperatur entstehen. Xenon Tetroxid wiederum ist eine
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hochexplosive Verbindung, die sich bereits bei Raumtemperatur
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spontan zersetzen kann. Diese Verbindungen sind zwar von
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eher akademischem Interesse und finden kaum praktische
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Anwendung, doch sie verdeutlichen eindrucksvoll,
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dass die Grenze zwischen Reaktionsträgen und
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reaktionsfreudigen Elementen im Periodensystem fließender ist,
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als es die klassische Einteilung zunächst vermuten lässt.
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Wenden wir uns nun den praktischen Anwendungen von
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Xenon zu, die dem Element seinen Beinamen als Blitzlichtgas
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eingebracht haben. Wird Xenon in einer Glasröhre
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unter geringem Druck einer elektrischen Entladung
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ausgesetzt, entsteht ein extrem intensives, tageslichtähnliches
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Licht, das nahezu das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt.
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Diese Eigenschaft macht Xenon zum idealen Füllgas für
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sogenannte Xenon Blitzlampen, wie sie seit Jahrzehnten in der
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professionellen Fotografie eingesetzt werden.
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Auch die klassischen Einwegblitze und viele moderne
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Kamerablitze basieren auf diesem physikalischen Prinzip, der
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große Vorteil. Gegenüber älteren Techniken,
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etwa dem Verbrennen von Magnesiumpulver, wie es in der
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frühen Fotografiegeschichte üblich war, liegt in der
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Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit eine Xenon
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blitzlampe, lässt sich viele 1000 male hintereinander
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auslösen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen.
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Auch in der Beleuchtungstechnik hat Xenon seine Spuren
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hinterlassen, die. Sogenannte Xenon Scheinwerfer,
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die seit den 1990er Jahren in vielen Fahrzeugen zum Einsatz
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kommen, nutzen eine Gasentladungslampe, in der ein
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elektrischer Lichtbogen durch Xenon Gas gezündet wird.
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Das Ergebnis ist ein deutlich helleres, weißeres Licht als bei
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klassischen Halogenscheinwerfern, das der
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Farbtemperatur von Tageslicht sehr nahe kommt und dadurch die
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Sehleistung bei Dunkelheit verbessern kann.
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Physikalisch handelt es sich bei diesen Lampen genau genommen um
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Xenon Gas, Entladungslampen, bei denen das Xenon Gas zunächst für
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den charakteristischen Lichtbogen sorgt, während im
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Dauerbetrieb zusätzlich enthaltene Metallhalogenide zur
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eigentlichen Lichterzeugung beitragen.
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In der Filmindustrie wiederum kommen sehr viel größere Xenon
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Kurzbogenlampen zum Einsatz. Die in Kinoprojektoren ein
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besonders helles und gleichmäßiges Licht erzeugen,
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das dem natürlichen Tageslicht in seiner spektralen
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Zusammensetzung bemerkenswert nahe kommt.
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Ein weiteres bedeutendes Einsatzgebiet von Xenon liegt in
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der Raumfahrt, genauer gesagt in sogenannten Äonentriebwerken bei
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diesem Antriebsprinzip werden Xenon Atome zunächst ionisiert.
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Also elektrisch geladen und anschließend in einem
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elektrischen Feld auf sehr hohe Geschwindigkeiten von mehreren
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10000 Metern pro Sekunde beschleunigt.
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Der dabei entstehende Rückstoß erzeugt einen Schub, der zwar im
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Vergleich zu chemischen Raketentriebwerken sehr gering
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ist, dafür aber über extrem lange Zeiträume hinweg mit hoher
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Effizienz aufrechterhalten werden kann.
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Xenon. Eignet sich für dieses Verfahren
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besonders gut, weil es chemisch reaktionsträge ist, sich leicht
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ionisieren lässt und eine vergleichsweise hohe Atommasse
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besitzt, was den erzeugten Schub pro Ion erhöht.
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Bekannte Raumfahrtmissionen, die auf Xenon Ionen Triebwerke
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setzten, waren etwa die europäische Mondsonde Smart 1
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sowie die NASA sonde Dawn. Die zwischen 2007 und 2018, die
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beiden größten Objekte des Asteroidengürtels, Vesta und
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Ceres, besuchte auch zahlreiche moderne Kommunikationssatelliten
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nutzen mittlerweile Xenon Ionentriebwerke, um ihre
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Umlaufbahn über Jahre hinweg mit minimalem Treibstoffverbrauch zu
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korrigieren. Auch in der Grundlagenphysik
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spielt Xenon eine bemerkenswerte Rolle.
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Insbesondere in der Suche nach der sogenannten dunklen Materie.
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Verschiedene internationale Forschungsprojekte, darunter die
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Xenon Experimente, die tief unter der Erde im italienischen
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Gran Sasso massiv angesiedelt sind, verwenden große Tanks mit
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flüssigem Xenon als Detektormedium.
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Die zugrundeliegende Idee ist folgende die.
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Sollte dunkle Materie tatsächlich aus sogenannten WMPS
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bestehen, also schwach wechselwirkenden massereichen
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Teilchen, so könnten diese Teilchen gelegentlich mit den
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Atomkernen des Xenons zusammenstoßen und dabei ein
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winziges, aber messbares Lichtsignal erzeugen.
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Xenon eignet sich für solche Experimente besonders gut, weil
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es sich vergleichsweise einfach in großen Mengen hochrein
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aufbereiten lässt, weil es dicht genug ist, um Wechselwirkungen
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mit hypothetischen Teilchen wahrscheinlicher zu machen und
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weil es selbst kaum natürliche Radioaktivität aufweist, die die
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empfindlichen Messungen stören könnte.
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Bislang konnte die Existenz der dunklen Materie auf diesem Weg
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zwar noch nicht direkt nachgewiesen werden, doch die
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immer weiter verbesserten Xenon Detektoren liefern
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kontinuierlich wichtige Ausschlussgrenzen, die
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theoretischen Physiker ihnen helfen, ihre Modelle zu
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verfeinern. Auch in der Medizin findet Xenon
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Verwendung, wenn auch in vergleichsweise kleinem Rahmen.
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Aufgrund seiner narkotisierenden Wirkung wird Xenon gelegentlich
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als Inhalationsanästhetikum eingesetzt, bereits in den
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1950er Jahren wurde beobachtet, dass das Einatmen von Xenon beim
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Menschen eine Bewusstlosigkeit hervorrufen kann, ein Effekt.
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Der auf die Wechselwirkung des Elements mit bestimmten
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Rezeptoren im zentralen Nervensystem zurückzuführen ist.
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Xenon gilt dabei als besonders schonendes Narkosemittel, da es
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sich chemisch in Erd verhält, sehr schnell wieder abgeatmet
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wird und im Vergleich zu klassischen Narkosegasen ein
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günstigeres Nebenwirkungsprofil aufweist, unter anderem eine
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geringere Belastung für das Herz Kreislauf System.
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Der breiten klinischen Anwendung stehen jedoch die hohen
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Herstellungskosten von Xenon entgegen, weshalb es bislang vor
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allem in spezialisierten Zentren und im Rahmen wissenschaftlicher
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Studien eingesetzt wird, unter anderem zur Untersuchung eines
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möglichen neuroprotektiven Effekts nach Schlaganfällen oder
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Sauerstoffmangel bei Neugeborenen.
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Bemerkenswert ist zudem, dass Xenon aufgrund seiner
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leistungssteigernden Wirkung auf den Körper insbesondere durch
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eine vermutete Anregung der Produktion des Hormons
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Erythropoetin, das die Bildung roter Blutkörperchen fördert,
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seit dem Jahr 2014 von der Welt Anti Doping Agentur offiziell
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als verbotene Substanz im Spitzensport eingestuft wird.
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Zuvor war bekannt geworden, dass Xenon Inhalation im
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Ausdauersport, insbesondere im professionellen Wintersport
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einiger Länder, gezielt zur Leistungsstätigerung genutzt
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worden sein soll, was letztlich zur ausdrücklichen Aufnahme des
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Edelgases in die Verbotsliste führte.
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Ein ungewöhnliches Kapitel in der Geschichte eines chemischen
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Elements. Auch bei der Untersuchung des
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menschlichen Körpers selbst spielt Xenon eine Rolle,
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allerdings in Form seiner radioaktiven Isotope.
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Xenon 133 wird in der Nuklearmedizin als sogenannter
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Tracer eingesetzt, um beispielsweise die Durchblutung
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der Lunge oder des Gehirns sichtbar zu machen.
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Das Isotop wird dabei eingeatmet oder injiziert und sendet beim
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radioaktiven Zerfall Gammastrahlung aus, die von
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speziellen Kameras erfasst und zu bildgebenden Darstellungen
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verarbeitet wird. Da Xenon 133 eine
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vergleichsweise kurze Halbwertszeit von rund 5,2 Tagen
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besitzt. Klingt die radioaktive Belastung
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für Patientinnen und Patienten nach der Untersuchung rasch
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wieder ab? Xenon besitzt insgesamt 9
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natürlich vorkommende stabile Isotope, eine bemerkenswert hohe
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Zahl im Vergleich zu vielen anderen Elementen des
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Periodensystems, was Wissenschaftler ihnen
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zusätzliche Möglichkeiten eröffnet, Geochemische und
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astrophysikalische Prozesse zu untersuchen.
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Insbesondere das Verhältnis bestimmter Xenon Isotope
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zueinander liefert wertvolle Hinweise auf das Alter von
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Gesteinen und Meteoriten, da einige dieser Isotope aus dem
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radioaktiven Zerfall anderer Elemente entstehen, etwa aus
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Iod, 129 oder aus spontaner Kernspaltung von Uran 238.
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Diese sogenannte io de Xenon Datierung erlaubt es
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forschenden, die Entstehungsgeschichte des
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Sonnensystems mit bemerkenswerter Präzision zu
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rekonstruieren und liefert wichtige Anhaltspunkte über
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Prozesse, die sich vor mehr als viereinhalb Milliarden Jahren
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abspielten. Nicht zuletzt begegnet uns Xenon
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in der Alltagstechnik auch dort, wo wir es kaum vermuten würden.
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In bestimmten Typen von Plasmabildschirmen, die vor der
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breiten Verfügbarkeit moderner LED und OLED Technologien für
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hochwertige Fernsehgeräte genutzt wurden.
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In diesen Bildschirmen wird eine Mischung aus Xenon und Neon in
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winzigen Zellen elektrisch zum Leuchten angeregt, wodurch
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ultraviolettes Licht entsteht, das wiederum Leuchtstoffe zum
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Erstrahlen bringt. Ähnlich dem Funktionsprinzip
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einer Leuchtstoffröhre auch in bestimmten Hochleistungslasern,
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den sogenannten Eximer Lasern, wird Xenon in Kombination mit
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anderen Gasen genutzt, um kurzwelliges, energiereiches
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Licht zu erzeugen, das unter anderem in der
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Halbleiterfertigung und in der Refraktiven Augenchirurgie zum
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Einsatz kommt. Werfen wir noch einen Blick auf
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die physikalischen Eigenschaften von Xenon, bevor wir uns dem
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kosmischen Ursprung des Elements zuwenden.
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Xenon ist unter Normalbedingungen ein Farb und
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geruchloses Gas, das erst bei -108 Grad Celsius zu einer
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Flüssigkeit kondensiert und bei -112 Grad Celsius erstarrt
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Werte. Die im Vergleich zu den
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leichteren Edelgasen wie Helium oder Neon bemerkenswert
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Hochliegen der Grund dafür liegt in der Größe und Masse der
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Xenonatome. Je größer ein Atom, desto
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stärker wirken die sogenannten Wanderwalskräfte zwischen den
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einzelnen Atomen. Jene schwachen, aber bei tiefen
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Temperaturen durchaus relevanten Anziehungskräfte, die letztlich
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für den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand
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verantwortlich sind, mit einer Dichte, die unter
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Normalbedingungen etwa 4,5 mal höher ist als die von Luft.
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Gehört Gisenon zudem zu den dichtesten stabilen Gasen
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überhaupt? Diese hohe Dichte führt zu einem
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physikalischen Effekt, der in populärwissenschaftlichen
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Zusammenhängen gerne vorgeführt wird und das genaue Gegenteil
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des bekannten heliumstimme Effekts darstellt, während das
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Einatmen von Helium die menschliche Stimme aufgrund der
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geringeren Dichte des Gases höher und quietschiger klingen
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lässt. Bewirkt das Einatmen von Xenon
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aufgrund seiner deutlich höheren Dichte das Gegenteil?
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Die Stimme klingt dann ungewöhnlich tief und dunkel, da
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sich die Schallgeschwindigkeit in dem dichteren Gas verringert.
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Aus Sicherheitsgründen raten Fachleute jedoch ausdrücklich
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davon ab, dies unkontrolliert auszuprobieren, da Xenon ähnlich
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wie andere Edelgase. In hoher Konzentration den
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lebenswichtigen Sauerstoff aus der Lunge verdrängen und zu
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Erstickungserscheinungen führen kann, ohne dass Betroffene dies
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aufgrund der fehlenden Reizwirkung des Gases
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rechtzeitig bemerken. Auch die kosmische Herkunft von
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Xenon ist ein faszinierendes Kapitel der Astrophysik, wie
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nahezu alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und
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Helium sind, entstand Xenon nicht beim Urknall selbst.
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Sondern erst im Inneren von Sternen sowie bei deren
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gewaltsamem Ende. Astrophysikerinnen gehen davon
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aus, dass ein erheblicher Teil des im Universum vorhandenen
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Xenons durch den sogenannten Essprozess entsteht, bei dem
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Atomkerne in roten Riesensternen über lange Zeiträume hinweg
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schrittweise Neutronen einfangen und sich dadurch zu schwereren
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Elementen aufbauen. Ein weiterer schnellerer
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Entstehungsweg ist der R Prozess, der unter den extremen
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Bedingungen von Supernova, Explosionen oder bei der
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Verschmelzung zweier Neutronensterne abläuft.
21:55
Ereignissen, bei denen innerhalb von Sekundenbruchteilen enorme
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Mengen an Neutronen zur Verfügung stehen und dadurch
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auch sehr schwere neutronenreiche Atomkerne
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entstehen können. Erst im Jahr 2017 gelang es
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Forschungsteams erstmals im Rahmen der Beobachtung einer
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Neutronen Stern Verschmelzung mittels Gravitationswellen und
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begleitender Teleskopmessungen direkte Spektroskopische
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Hinweise auf frisch entstandene schwere Elemente zu finden.
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Ein Ereignis, dass unser Verständnis davon, wo im
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Universum Elemente wie Xenon tatsächlich entstehen, erheblich
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erweitert hat. Wenn wir also heute an Xenon
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denken, sollten wir nicht nur an ein seltenes unsichtbares Gas
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denken, sondern an ein Element, das an ungewöhnlich vielen
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Schnittstellen unseres Alltags und unserer Wissenschaft
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auftaucht. Als Blitz in der Kamera, als
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Antrieb im All, als Werkzeug bei der Suche nach den
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Grundbausteinen des Universums und als stiller Zeuge der
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Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems.
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Gerade weil Xenon in der Natur so selten und aufwendig zu
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gewinnen ist, erinnert es uns daran, wie kostbar die
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natürlichen Ressourcen unseres Planeten sind und wie sorgsam
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wir mit ihnen umgehen sollten. Diese Sorgfalt gilt nicht nur
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für seltene Gase in der Atmosphäre, sondern für unseren
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gesamten Planeten und die Umwelt, die uns trägt, die.
23:34
Ebenso wie für die offenen demokratischen Gesellschaften,
23:37
in denen wissenschaftliche Erkenntnis wie diese überhaupt
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erst frei erforscht und geteilt werden kann.
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Beides zu schützen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer
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Zeit, damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die
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Welt von Xenon angekommen. Wir hoffen, dir hat der Ausflug
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vom Kamerablitz bis zur Suche nach dunkler Materie gefallen.
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Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine
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Bewertung da. Das hilft uns dabei weiterhin
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spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten
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Folge bleib neugierig.