54. Xenon (Xe) - Das Blitzlicht-Gas

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns einem Element, das unsichtbar. Geruchlos und in der Erdatmosphäre extrem selten ist und das trotzdem in Kamerablitzen, autoscheinwerfern, Raumsonden und sogar in der Suche nach dunkler Materie eine zentrale Rolle spielt. Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Xenon, dem Blitzlichtgas Xenon trägt im Periodensystem das Symbol XE und

0:55 die Ordnungszahl 54. Es gehört zur Gruppe der Edelgase, gemeinsam mit Helium, Neon, Argon, Krypton und dem radioaktiven Radon Edelgase zeichnen sich dadurch aus, dass ihre äußerste Elektronenschale vollständig gefüllt ist. Chemiker innen sprechen hier von einer abgeschlossenen Valenzschale, wodurch diese Elemente unter normalen Bedingungen kaum Verbindungen mit anderen Elementen eingehen.

1:26 Sie gelten deshalb lange Zeit als vollkommen reaktionsträge. Ein Ruf, der Xenon, wie wir gleich hören werden, nicht ganz gerecht wird. Entdeckt wurde Xenon im Jahr 1898 von den britischen Chemikern William Ramsey und Morris Trevers an der University College London. Die beiden Forscher hatten kurz zuvor bereits Krypton und Neon isoliert, indem sie flüssige Luft schrittweise verdampfen ließen und die dabei entstehenden Gasfraktionen genau untersuchten. Bei der Suche nach weiteren bis dahin unbekannten Bestandteilen der Luft stießen sie auf einen letzten, äußerst seltenen Rückstand.

2:08 Als sie dieses Gas in einer evakuierten Glasröhre einer elektrischen Entladung aussetzten, leuchtete es in einem intensiven, bläulich weißen Licht auf. Ein Anblick, der die beiden Forscher so beeindruckte, dass sie das neue Element nach dem griechischen Wort xenos benannten, was so viel wie der Fremde oder der Unbekannte bedeutet. Diese Namensgebung setzte die Tradition fort, die Ramsey und Trevers bereits bei Neon begonnen hatten, dessen Name sich vom griechischen Wort für neu ableitet. In der Erdatmosphäre ist Xenon außerordentlich selten. Auf 1000000 Luftteilchen kommen im statistischen Mittel nur etwa 0,09 Xenon Atome, was einem Volumenanteil von rund 0,0000087% entspricht.

2:59 Zum Vergleich Argon, das häufigste Edelgas der Atmosphäre, macht knapp ein Prozent der Luft aus, ist also mehr als hunderttausend mal häufiger als Xenon. Aufgrund dieser extremen Seltenheit ist die Gewinnung von Xenon aufwendig und entsprechend kostspielig. Industriell wird es als Nebenprodukt der Luftverflüssigung gewonnen, einem Verfahren, bei dem Luft zunächst stark abgekühlt und komprimiert wird, bis sie flüssig wird. Durch fraktionierte Destillation ein Prozess, bei dem die unterschiedlichen Siedepunkte der Luftbestandteile genutzt werden, lassen sich die einzelnen Gase nach und nach voneinander trennen.

3:49 Xenon reichert sich dabei in den letzten schwerflüchtigen Fraktionen anderer Edelgase an und muss anschließend durch weitere Destillationsschritte von Krypton getrennt werden. Um nur ein Kilogramm Xenon zu gewinnen, müssen schätzungsweise mehrere 100000 Kubikmeter Luft verarbeitet werden, weshalb der Preis für Xenon deutlich über dem vieler anderer technischer Gase liegt. Interessanterweise gibt Xenon Wissenschaftler innen bis heute ein kosmochemisches Rätsel auf, das als fehlendes Xenon Paradoxon bekannt ist.

4:27 Vergleicht man die Häufigkeit von Xenon in der Erdatmosphäre mit der Häufigkeit anderer Edelgase und mit Modellen zur Entstehung des Sonnensystems, so müsste eigentlich deutlich mehr Xenon in der Atmosphäre vorhanden sein, als tatsächlich gemessen wird. Es fehlt gewissermaßen ein erheblicher Anteil des Xenons, das ursprünglich vorhanden gewesen sein müsste. Verschiedene Hypothesen versuchen dieses Rätsel zu erklären.

4:59 Eine Theorie geht davon aus, dass Xenon unter den enormen Druck und Temperaturbedingungen im Erdinneren chemische Bindungen mit Eisen oder Nickel eingehen und sich dadurch im Erdkern angereichert haben könnte, wo es der heutigen Messung entzogen ist. Hochdruckexperimente in Laboren haben tatsächlich gezeigt, dass Xenon unter extremen Bedingungen mit Eisen reagieren kann. Was diese Hypothese stützt, auch wenn die endgültige Klärung des Paradoxons noch aussteht.

5:35 Damit sind wir bereits bei einem Aspekt angekommen, der Xenon von den meisten seiner Verwandten in der Gruppe der Edelgase unterscheidet. Seiner überraschenden chemischen Reaktionsfreudigkeit. Lange galt als gesichert, dass Edelgase grundsätzlich keine chemischen Verbindungen eingehen können. Diese Annahme wurde im Jahr 1962 durch den kanadischen Chemiker Neil Bartlett widerlegt.

6:06 Bartlett hatte zuvor beobachtet, dass die Verbindung Platinhexafluorid in der Lage ist, molekularem Sauerstoff ein Elektron zu entziehen, da die Ionisierungsenergie von Xenon, also die Energie, die nötig ist, um einem Atom ein Elektron zu entreißen. In einer ähnlichen Größenordnung liegt wie die von Sauerstoff vermutete Bartlett, dass Platin Hexafluorid auch mit Xenon reagieren könnte.

6:38 Sein Experiment gelang, er stellte die erste bekannte Verbindung eines Edelgases her, Xenon Hexafluoroplatinat. Diese Entdeckung war eine kleine wissenschaftliche Sensation, denn sie zwang Chemiker innen weltweit dazu, das Konzept der chemischen Reaktionsträgheit von Edelgasen grundlegend zu überdenken. In den folgenden Jahren gelang es Forschungsteams, eine ganze Reihe weiterer Xenon Verbindungen herzustellen, insbesondere mit Fluor und Sauerstoff, den beiden Elementen mit der höchsten Elektronegativität im Periodensystem.

7:17 Zu den bekanntesten zählen Xenon, Difluorid, Xenon Tetrafluorid und Xenon Hexafluorid, die durch direkte Reaktion von Xenon mit Fluorgas unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur entstehen. Xenon Tetroxid wiederum ist eine hochexplosive Verbindung, die sich bereits bei Raumtemperatur spontan zersetzen kann. Diese Verbindungen sind zwar von eher akademischem Interesse und finden kaum praktische Anwendung, doch sie verdeutlichen eindrucksvoll, dass die Grenze zwischen Reaktionsträgen und reaktionsfreudigen Elementen im Periodensystem fließender ist, als es die klassische Einteilung zunächst vermuten lässt.

8:06 Wenden wir uns nun den praktischen Anwendungen von Xenon zu, die dem Element seinen Beinamen als Blitzlichtgas eingebracht haben. Wird Xenon in einer Glasröhre unter geringem Druck einer elektrischen Entladung ausgesetzt, entsteht ein extrem intensives, tageslichtähnliches Licht, das nahezu das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt.

8:32 Diese Eigenschaft macht Xenon zum idealen Füllgas für sogenannte Xenon Blitzlampen, wie sie seit Jahrzehnten in der professionellen Fotografie eingesetzt werden. Auch die klassischen Einwegblitze und viele moderne Kamerablitze basieren auf diesem physikalischen Prinzip, der große Vorteil. Gegenüber älteren Techniken, etwa dem Verbrennen von Magnesiumpulver, wie es in der frühen Fotografiegeschichte üblich war, liegt in der Kontrollierbarkeit und Wiederholbarkeit eine Xenon blitzlampe, lässt sich viele 1000 male hintereinander auslösen, ohne an Leistungsfähigkeit einzubüßen.

9:12 Auch in der Beleuchtungstechnik hat Xenon seine Spuren hinterlassen, die. Sogenannte Xenon Scheinwerfer, die seit den 1990er Jahren in vielen Fahrzeugen zum Einsatz kommen, nutzen eine Gasentladungslampe, in der ein elektrischer Lichtbogen durch Xenon Gas gezündet wird. Das Ergebnis ist ein deutlich helleres, weißeres Licht als bei klassischen Halogenscheinwerfern, das der Farbtemperatur von Tageslicht sehr nahe kommt und dadurch die Sehleistung bei Dunkelheit verbessern kann.

9:48 Physikalisch handelt es sich bei diesen Lampen genau genommen um Xenon Gas, Entladungslampen, bei denen das Xenon Gas zunächst für den charakteristischen Lichtbogen sorgt, während im Dauerbetrieb zusätzlich enthaltene Metallhalogenide zur eigentlichen Lichterzeugung beitragen. In der Filmindustrie wiederum kommen sehr viel größere Xenon Kurzbogenlampen zum Einsatz. Die in Kinoprojektoren ein besonders helles und gleichmäßiges Licht erzeugen, das dem natürlichen Tageslicht in seiner spektralen Zusammensetzung bemerkenswert nahe kommt.

10:26 Ein weiteres bedeutendes Einsatzgebiet von Xenon liegt in der Raumfahrt, genauer gesagt in sogenannten Äonentriebwerken bei diesem Antriebsprinzip werden Xenon Atome zunächst ionisiert. Also elektrisch geladen und anschließend in einem elektrischen Feld auf sehr hohe Geschwindigkeiten von mehreren 10000 Metern pro Sekunde beschleunigt.

10:52 Der dabei entstehende Rückstoß erzeugt einen Schub, der zwar im Vergleich zu chemischen Raketentriebwerken sehr gering ist, dafür aber über extrem lange Zeiträume hinweg mit hoher Effizienz aufrechterhalten werden kann. Xenon. Eignet sich für dieses Verfahren besonders gut, weil es chemisch reaktionsträge ist, sich leicht ionisieren lässt und eine vergleichsweise hohe Atommasse besitzt, was den erzeugten Schub pro Ion erhöht.

11:23 Bekannte Raumfahrtmissionen, die auf Xenon Ionen Triebwerke setzten, waren etwa die europäische Mondsonde Smart 1 sowie die NASA sonde Dawn. Die zwischen 2007 und 2018, die beiden größten Objekte des Asteroidengürtels, Vesta und Ceres, besuchte auch zahlreiche moderne Kommunikationssatelliten nutzen mittlerweile Xenon Ionentriebwerke, um ihre Umlaufbahn über Jahre hinweg mit minimalem Treibstoffverbrauch zu korrigieren. Auch in der Grundlagenphysik spielt Xenon eine bemerkenswerte Rolle.

12:04 Insbesondere in der Suche nach der sogenannten dunklen Materie. Verschiedene internationale Forschungsprojekte, darunter die Xenon Experimente, die tief unter der Erde im italienischen Gran Sasso massiv angesiedelt sind, verwenden große Tanks mit flüssigem Xenon als Detektormedium. Die zugrundeliegende Idee ist folgende die.

12:29 Sollte dunkle Materie tatsächlich aus sogenannten WMPS bestehen, also schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen, so könnten diese Teilchen gelegentlich mit den Atomkernen des Xenons zusammenstoßen und dabei ein winziges, aber messbares Lichtsignal erzeugen. Xenon eignet sich für solche Experimente besonders gut, weil es sich vergleichsweise einfach in großen Mengen hochrein aufbereiten lässt, weil es dicht genug ist, um Wechselwirkungen mit hypothetischen Teilchen wahrscheinlicher zu machen und weil es selbst kaum natürliche Radioaktivität aufweist, die die empfindlichen Messungen stören könnte.

13:13 Bislang konnte die Existenz der dunklen Materie auf diesem Weg zwar noch nicht direkt nachgewiesen werden, doch die immer weiter verbesserten Xenon Detektoren liefern kontinuierlich wichtige Ausschlussgrenzen, die theoretischen Physiker ihnen helfen, ihre Modelle zu verfeinern. Auch in der Medizin findet Xenon Verwendung, wenn auch in vergleichsweise kleinem Rahmen.

13:39 Aufgrund seiner narkotisierenden Wirkung wird Xenon gelegentlich als Inhalationsanästhetikum eingesetzt, bereits in den 1950er Jahren wurde beobachtet, dass das Einatmen von Xenon beim Menschen eine Bewusstlosigkeit hervorrufen kann, ein Effekt. Der auf die Wechselwirkung des Elements mit bestimmten Rezeptoren im zentralen Nervensystem zurückzuführen ist.

14:07 Xenon gilt dabei als besonders schonendes Narkosemittel, da es sich chemisch in Erd verhält, sehr schnell wieder abgeatmet wird und im Vergleich zu klassischen Narkosegasen ein günstigeres Nebenwirkungsprofil aufweist, unter anderem eine geringere Belastung für das Herz Kreislauf System. Der breiten klinischen Anwendung stehen jedoch die hohen Herstellungskosten von Xenon entgegen, weshalb es bislang vor allem in spezialisierten Zentren und im Rahmen wissenschaftlicher Studien eingesetzt wird, unter anderem zur Untersuchung eines möglichen neuroprotektiven Effekts nach Schlaganfällen oder Sauerstoffmangel bei Neugeborenen.

14:52 Bemerkenswert ist zudem, dass Xenon aufgrund seiner leistungssteigernden Wirkung auf den Körper insbesondere durch eine vermutete Anregung der Produktion des Hormons Erythropoetin, das die Bildung roter Blutkörperchen fördert, seit dem Jahr 2014 von der Welt Anti Doping Agentur offiziell als verbotene Substanz im Spitzensport eingestuft wird.

15:18 Zuvor war bekannt geworden, dass Xenon Inhalation im Ausdauersport, insbesondere im professionellen Wintersport einiger Länder, gezielt zur Leistungsstätigerung genutzt worden sein soll, was letztlich zur ausdrücklichen Aufnahme des Edelgases in die Verbotsliste führte. Ein ungewöhnliches Kapitel in der Geschichte eines chemischen Elements. Auch bei der Untersuchung des menschlichen Körpers selbst spielt Xenon eine Rolle, allerdings in Form seiner radioaktiven Isotope.

15:56 Xenon 133 wird in der Nuklearmedizin als sogenannter Tracer eingesetzt, um beispielsweise die Durchblutung der Lunge oder des Gehirns sichtbar zu machen. Das Isotop wird dabei eingeatmet oder injiziert und sendet beim radioaktiven Zerfall Gammastrahlung aus, die von speziellen Kameras erfasst und zu bildgebenden Darstellungen verarbeitet wird. Da Xenon 133 eine vergleichsweise kurze Halbwertszeit von rund 5,2 Tagen besitzt. Klingt die radioaktive Belastung für Patientinnen und Patienten nach der Untersuchung rasch wieder ab? Xenon besitzt insgesamt 9 natürlich vorkommende stabile Isotope, eine bemerkenswert hohe Zahl im Vergleich zu vielen anderen Elementen des Periodensystems, was Wissenschaftler ihnen

16:54 zusätzliche Möglichkeiten eröffnet, Geochemische und astrophysikalische Prozesse zu untersuchen. Insbesondere das Verhältnis bestimmter Xenon Isotope zueinander liefert wertvolle Hinweise auf das Alter von Gesteinen und Meteoriten, da einige dieser Isotope aus dem radioaktiven Zerfall anderer Elemente entstehen, etwa aus Iod, 129 oder aus spontaner Kernspaltung von Uran 238.

17:26 Diese sogenannte io de Xenon Datierung erlaubt es forschenden, die Entstehungsgeschichte des Sonnensystems mit bemerkenswerter Präzision zu rekonstruieren und liefert wichtige Anhaltspunkte über Prozesse, die sich vor mehr als viereinhalb Milliarden Jahren abspielten. Nicht zuletzt begegnet uns Xenon in der Alltagstechnik auch dort, wo wir es kaum vermuten würden.

17:53 In bestimmten Typen von Plasmabildschirmen, die vor der breiten Verfügbarkeit moderner LED und OLED Technologien für hochwertige Fernsehgeräte genutzt wurden. In diesen Bildschirmen wird eine Mischung aus Xenon und Neon in winzigen Zellen elektrisch zum Leuchten angeregt, wodurch ultraviolettes Licht entsteht, das wiederum Leuchtstoffe zum Erstrahlen bringt. Ähnlich dem Funktionsprinzip einer Leuchtstoffröhre auch in bestimmten Hochleistungslasern, den sogenannten Eximer Lasern, wird Xenon in Kombination mit anderen Gasen genutzt, um kurzwelliges, energiereiches Licht zu erzeugen, das unter anderem in der Halbleiterfertigung und in der Refraktiven Augenchirurgie zum Einsatz kommt. Werfen wir noch einen Blick auf

18:46 die physikalischen Eigenschaften von Xenon, bevor wir uns dem kosmischen Ursprung des Elements zuwenden. Xenon ist unter Normalbedingungen ein Farb und geruchloses Gas, das erst bei -108 Grad Celsius zu einer Flüssigkeit kondensiert und bei -112 Grad Celsius erstarrt Werte. Die im Vergleich zu den leichteren Edelgasen wie Helium oder Neon bemerkenswert Hochliegen der Grund dafür liegt in der Größe und Masse der Xenonatome. Je größer ein Atom, desto stärker wirken die sogenannten Wanderwalskräfte zwischen den einzelnen Atomen. Jene schwachen, aber bei tiefen Temperaturen durchaus relevanten Anziehungskräfte, die letztlich für den Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Zustand verantwortlich sind, mit einer Dichte, die unter

19:43 Normalbedingungen etwa 4,5 mal höher ist als die von Luft. Gehört Gisenon zudem zu den dichtesten stabilen Gasen überhaupt? Diese hohe Dichte führt zu einem physikalischen Effekt, der in populärwissenschaftlichen Zusammenhängen gerne vorgeführt wird und das genaue Gegenteil des bekannten heliumstimme Effekts darstellt, während das Einatmen von Helium die menschliche Stimme aufgrund der geringeren Dichte des Gases höher und quietschiger klingen lässt. Bewirkt das Einatmen von Xenon aufgrund seiner deutlich höheren Dichte das Gegenteil?

20:24 Die Stimme klingt dann ungewöhnlich tief und dunkel, da sich die Schallgeschwindigkeit in dem dichteren Gas verringert. Aus Sicherheitsgründen raten Fachleute jedoch ausdrücklich davon ab, dies unkontrolliert auszuprobieren, da Xenon ähnlich wie andere Edelgase. In hoher Konzentration den lebenswichtigen Sauerstoff aus der Lunge verdrängen und zu Erstickungserscheinungen führen kann, ohne dass Betroffene dies aufgrund der fehlenden Reizwirkung des Gases rechtzeitig bemerken. Auch die kosmische Herkunft von Xenon ist ein faszinierendes Kapitel der Astrophysik, wie nahezu alle Elemente, die schwerer als Wasserstoff und Helium sind, entstand Xenon nicht beim Urknall selbst.

21:13 Sondern erst im Inneren von Sternen sowie bei deren gewaltsamem Ende. Astrophysikerinnen gehen davon aus, dass ein erheblicher Teil des im Universum vorhandenen Xenons durch den sogenannten Essprozess entsteht, bei dem Atomkerne in roten Riesensternen über lange Zeiträume hinweg schrittweise Neutronen einfangen und sich dadurch zu schwereren Elementen aufbauen. Ein weiterer schnellerer Entstehungsweg ist der R Prozess, der unter den extremen Bedingungen von Supernova, Explosionen oder bei der Verschmelzung zweier Neutronensterne abläuft.

21:55 Ereignissen, bei denen innerhalb von Sekundenbruchteilen enorme Mengen an Neutronen zur Verfügung stehen und dadurch auch sehr schwere neutronenreiche Atomkerne entstehen können. Erst im Jahr 2017 gelang es Forschungsteams erstmals im Rahmen der Beobachtung einer Neutronen Stern Verschmelzung mittels Gravitationswellen und begleitender Teleskopmessungen direkte Spektroskopische Hinweise auf frisch entstandene schwere Elemente zu finden.

22:28 Ein Ereignis, dass unser Verständnis davon, wo im Universum Elemente wie Xenon tatsächlich entstehen, erheblich erweitert hat. Wenn wir also heute an Xenon denken, sollten wir nicht nur an ein seltenes unsichtbares Gas denken, sondern an ein Element, das an ungewöhnlich vielen Schnittstellen unseres Alltags und unserer Wissenschaft auftaucht. Als Blitz in der Kamera, als Antrieb im All, als Werkzeug bei der Suche nach den Grundbausteinen des Universums und als stiller Zeuge der Entstehungsgeschichte unseres Sonnensystems.

23:09 Gerade weil Xenon in der Natur so selten und aufwendig zu gewinnen ist, erinnert es uns daran, wie kostbar die natürlichen Ressourcen unseres Planeten sind und wie sorgsam wir mit ihnen umgehen sollten. Diese Sorgfalt gilt nicht nur für seltene Gase in der Atmosphäre, sondern für unseren gesamten Planeten und die Umwelt, die uns trägt, die.

23:34 Ebenso wie für die offenen demokratischen Gesellschaften, in denen wissenschaftliche Erkenntnis wie diese überhaupt erst frei erforscht und geteilt werden kann. Beides zu schützen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit, damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt von Xenon angekommen. Wir hoffen, dir hat der Ausflug vom Kamerablitz bis zur Suche nach dunkler Materie gefallen.

24:05 Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da. Das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten Folge bleib neugierig.