text: Actinoide („Actiniumähnliche“; griech.: Endung -οειδής (-oeides) „ähnlich“) ist eine Gruppenbezeichnung bestimmter ähnlicher Elemente. Zugerechnet werden ihr das Actinium und die 14 im Periodensystem folgenden Elemente: Thorium, Protactinium, Uran und die Transurane Neptunium, Plutonium, Americium, Curium, Berkelium, Californium, Einsteinium, Fermium, Mendelevium, Nobelium und Lawrencium. Im Sinne des Begriffs gehört Actinium nicht zu den Actiniumähnlichen, jedoch folgt die Nomenklatur der IUPAC hier dem praktischen Gebrauch. Die frühere Bezeichnung Actinide entspricht nicht dem Vorschlag der Nomenklaturkommission, da nach diesem die Endung „-id“ für binäre Verbindungen wie z. B. Chloride reserviert ist; die Bezeichnung ist aber weiterhin erlaubt. Alle Actinoide sind Metalle und werden auch als Elemente der Actiniumreihe bezeichnet. Begriffliche Abgrenzung Die Transurane sind die Elemente mit einer höheren Ordnungszahl als Uran, d. h. die Actinoide beginnend mit Neptunium (93) sind auch Transurane. Als Transactinoide bezeichnet man die Elemente mit Ordnungszahlen ab 104 (Rutherfordium). Sie folgen im Periodensystem auf die Actinoide. Alle Transactinoide sind auch Transurane, da sie Ordnungszahlen größer als die des Urans haben. Im Zusammenhang mit Kernbrennstoffen und radioaktivem Abfall werden Neptunium, Americium, Curium, Berkelium und Californium auch als minore Actinoide bezeichnet. Die Actinoid-Nuklide sind Schwermetalle. In der Reaktorphysik wird bei Abbrandberechnungen der Schwermetall-Begriff etwas eingeschränkt. Als Schwermetalle bezeichnet man in diesem Zusammenhang nur die durch Neutronen spaltbaren Schwermetall-Nuklide. Spaltbar sind alle Schwermetall-Nuklide ab Actinium 225, also auch alle Nuklide der Actinoide. Massen von Spaltprodukten und Massen der überwiegend durch Neutroneneinfang in einem Kernreaktor entstandenen schweren Nuklide werden meist relativ zur Masse der anfangs eingesetzten so definierten Schwermetalle angegeben. Entdeckung und Gewinnung Im Jahr 1934 publizierte die deutsche Chemikerin Ida Noddack eine Arbeit über drei Lücken im Periodischen System der Elemente, die später mit den Elementen Francium, Astat und Promethium gefüllt wurden. Gleichsam nebenbei merkte sie an, dass es denkbar sei, dass bei der Beschießung schwerer Kerne mit Neutronen diese Kerne in mehrere größere Bruchstücke zerfallen. Aber nicht nur das. Denkbar sei auch, dass Elemente mit Ordnungszahlen Z > 92, also Transurane, gebildet werden könnten. Tatsächlich synthetisierten Edwin M. McMillan und Philip H. Abelson erstmals im Jahr 1940 die ersten nicht in der Natur vorkommenden Actinoid-Nuklide 239U, 239Np und 239Pu durch Beschuss von Uran mit Neutronen. Da im Jahr 1940 noch kein Kernreaktor in Betrieb war, konnten die Neutronen nur aus einer Neutronenquelle stammen. Obwohl bei dieser Kernreaktion letztlich auch ein Plutonium-Isotop entsteht, konnte Plutonium wahrscheinlich wegen der geringen Ausbeute noch nicht nachgewiesen werden. Als Entdeckungsjahr von Plutonium gilt das Jahr 1941, wie die Tabelle Entdeckung der Transurane zeigt. Plutonium wurde von den US-Amerikanern Glenn T. Seaborg, J. W. Kennedy, E. M. McMillan, Michael Cefola und Arthur Wahl entdeckt. Ende 1940 stellten sie das Plutonium-Isotop 238Pu durch Beschuss des Uran-Isotops 238U mit Deuteronen her, die in einem Zyklotron beschleunigt worden waren. Nachdem der eindeutige Nachweis für das Element 94 erbracht worden war, erhielt es 1941 den Namen Plutonium. Der Name lag nahe, da die beiden Vorgängerelemente nach den Planeten Uranus und Neptun benannt worden waren. Details über die Kernreaktionen sind im Artikel Plutonium nachzulesen. Damit eine Transmutation mit elektrisch geladenen Teilchen wie Deuteronen stattfinden kann, müssen diese Teilchen auf eine Energie beschleunigt werden, die ausreicht, um die Coulombbarriere von Urankernen zu überwinden oder diese zumindest zu durchtunneln. Das war erstmals mit einem Zyklotron möglich. Die erste wägbare Menge Plutonium von etwa 4 μg wurde 1942 isoliert. Ende 1942 wurde der erste Kernreaktor Chicago Pile in Betrieb genommen. Mit Kernreaktoren konnten vergleichsweise größere Mengen der Elemente Plutonium und Americium gewonnen werden, die als Targetmaterial dienten. In Verbindung mit geladenen Teilchen, mit beschleunigten α-Teilchen, wurden dann die Nuklide der Elemente Curium, Berkelium und Californium entdeckt. Der Vorteil des Verfahrens, der Beschuss beschleunigter geladener Teilchen auf leichtere Actinoide, ist, dass auch massereiche, neutronenarme Nuklide erhalten werden können, die durch eine Neutronenbestrahlung nicht gebildet werden. Das effektivste Verfahren, um synthetische Actinoide zu erzeugen, ist die Transmutation von Uran- oder Thorium-Nukliden im Kernbrennstoff eines Kernreaktors durch Neutroneneinfang oder (n,2n)-Reaktionen. Dieses Verfahren ist auf nicht allzu massereiche Actinoid-Nuklide beschränkt, etwa bis zu Massenzahlen von A = 252. Rechnerisch (s. u) werden meist nur Nuklide bis A < 248 einbezogen. Americium zum Beispiel wurde in einem Zweistufenprozess entdeckt. In der ersten Stufe werden synthetische Actinoide in einem Kernreaktor gebildet, zum Beispiel 239Pu. Plutonium wird nach Entnahme des Kernbrennstoffs durch Wiederaufarbeitung chemisch extrahiert. Dann wird das Plutonium erneut im Reaktor oder mittels einer Quelle mit Neutronen bestrahlt. Der seit Mitte der 1960er Jahre betriebene 85 MW High-Flux-Isotope Reactor am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA ist auf die Herstellung von Transcuriumelementen (Z > 96) speziell ausgelegt. Die massereichen Elemente Einsteinium und Fermium wurden durch den Test der ersten amerikanischen Wasserstoffbombe, Ivy Mike, am 1. November 1952 auf dem Eniwetok-Atoll auf unsere Erde gebracht. Nur wenige Wochen später wurden sie im Lawrence Berkeley National Laboratory, das an der geheimen Waffentwicklung nicht beteiligt war, auf Filterpapieren und in Ablagerungen an Korallen völlig unerwartet entdeckt. Bei der Wasserstoffbombenexplosion waren bis zu 16 Neutronen von einem Kern von 238U eingefangen worden. Dieser Zwischenkern zerfiel sehr schnell über eine Kette von Betazerfällen in Nuklide der bis dahin unbekannten Elemente. Das Uran stammte aus der Ummantelung der Wasserstoffbombe, die aus fünf Tonnen Natururan bestand. Aus Gründen der militärischen Geheimhaltung durften die Ergebnisse zunächst nicht publiziert werden. Um sich dennoch die Priorität der Entdeckungen der beiden neuen Elemente zu sichern, wurden parallel erfolgreich Schwerionenreaktionen durchgeführt. 238U wurde mit 14N-Ionen, die an einem Zyklotron erzeugt wurden, bombardiert. Auf diesem Wege wurde zunächst Einsteinium synthetisiert und in der Publikation auf die Entdeckung von 1952 verwiesen. Ähnlich verfuhr man mit Fermium, das durch Beschuss mit 239Pu mit 14N-Ionen erzeugt wurde. Wie die Tabelle zeigt, führten Schwerionenreaktionen auch zu den Elementen Mendelevium, Nobelium und Lawrencium mit den Ordnungszahlen 101 bis 103. Mit Schwerionenreaktionen wurden auch die Elemente mit höheren Ordnungszahlen synthetisiert. Bildung und Gewinnung im Kernreaktor Der Kernreaktor nimmt, was die Actinoide betrifft, nicht nur deshalb eine herausragende Stellung ein, weil er ohne Actinoide nicht betrieben werden könnte, sondern weil es nur innerhalb eines Kernreaktors möglich ist, größere wägbare Mengen von „höheren“ Actinoid-Nukliden zu bilden. Dieser Abschnitt beschreibt, welche Actinoid-Nuklide das sind und in welchem Massenanteil (relativ zur ursprünglichen Schwermetallmasse) sie gebildet werden. In einem Kernreaktor werden zu Beginn des Betriebs große Mengen von Actinoiden in Form von Kernbrennstoff eingebracht, zum Beispiel mit 235U angereichertes Uran. In einem Leistungsreaktor sind Actinoidmassen in der Größenordnung von 100 t enthalten. Aus diesem Kernbrennstoff werden neben der gewünschten Energiefreisetzung durch Kernspaltung synthetische „höhere“ Actinoide durch Transmutation erzeugt. Gelingt es bei der Wiederaufarbeitung nicht, diese zu entfernen, so haben Actinoide auf den meisten Zeitskalen den höchsten Anteil an der Radioaktivität des Atommülls. Dies liegt an der Tatsache, dass bei den Spaltprodukten eine „Lücke“ der Halbwertszeiten zwischen Caesium-135 und Strontium-90 im Bereich um dreißig Jahre und Technetium-99 im Bereich um hunderttausende Jahre besteht. Diese „Lücke“ wird aber (sofern sie vorhanden sind) von den Actinoiden „aufgefüllt“. Actinoid-Nuklide in einem Kernreaktor Die Abbildung Nuklidkarte: Bildung und Zerfall von Actinoiden in einem Kernreaktor ist eine Nuklidkarte in der Anordnung nach Segrè. Das heißt, die Anzahl der Neutronen wird nach rechts zunehmend, die Anzahl der Protonen nach oben zunehmend aufgetragen. Um die Zeichnungsfläche sinnvoll zu nutzen, ist der Nuklidpfad am roten Punkt unterteilt. Jedes Quadrat der Abbildung stellt ein Actinoid-Nuklid dar, das in einem Kernreaktor auftreten kann. Die Abbildung zeigt auch das Netzwerk von Bildung und Zerfall von Actinoid-Nukliden, ausgelöst durch den Neutroneneinfang freier Neutronen und durch andere Kernreaktionen. Ein ähnliches Schema findet man in einer Arbeit aus dem Jahr 2014. Dort sind die Isotope von Thorium und Protactinium, die zum Beispiel in Salzschmelzenreaktoren eine große Rolle spielen, und die Isotope der Elemente Berkelium und Californium nicht enthalten. Die Bildung von Actinoid-Nukliden wird in erster Linie geprägt durch: Neutroneneinfang-Reaktionen (n,γ), die in der Abbildung durch einen kurzen Rechtspfeil dargestellt sind. Berücksichtigt werden aber auch die (n,2n)-Reaktionen und die seltener auftretenden (γ,n)-Reaktionen, die beide durch einen kurzen Linkspfeil markiert sind. Noch seltener und nur ausgelöst von schnellen Neutronen tritt die (n,3n)-Reaktion auf, die in der Abbildung mit einem Beispiel vertreten ist, markiert durch einen langen Linkspfeil. Außer diesen neutronen- oder gammainduzierten Kernreaktionen wirkt sich auch die radioaktive Umwandlung der Actinoid-Nuklide auf den Nuklid-Bestand in einem Reaktor zu einem gegebenen Zeitpunkt (Abbrandzustand) aus. Diese Zerfallsarten sind in der Abbildung durch Diagonalpfeile markiert. Eine große Rolle für die Bilanz der Teilchendichten der Nuklide spielt der Beta-Minus-Zerfall, markiert mit aufwärts zeigenden Diagonalpfeilen. Die Quadrate der Nuklide dieses Zerfallstyps haben in der Nuklidkarte eine hellblaue Füllfarbe. Zwei Nuklide sind nur zum Teil betaaktiv. Das rosafarben hinterlegte Nuklid 236Np wandelt sich zu 86 % durch Elektroneneinfang und zu 14 % durch Beta-Minus-Zerfall (hellblaue Ecke) um. Ebenfalls zwei Zerfallsarten, aber in nahezu umgekehrtem Verhältnis (83 % Beta-Minus-Zerfall, 17 % Elektroneneinfang) zeigt auch der Grundzustand von 242Am (rosa Ecke). Dieses Nuklid besitzt außerdem einen langlebigen metastabilen Zustand (weiß hinterlegt), der in der Regel durch 242m1Am symbolisiert wird. Nuklide mit Positronen-Emissionen (Beta-Plus-Zerfälle) kommen in einem Kernreaktor nicht vor, da quasi ausschließlich Kerne mit Neutronenüberschuss bzw. „gerade genug“ Neutronen gebildet werden. Die Actinoid-Nuklide, die sich unter Aussendung von α-Teilchen spontan umwandeln, sind in der Nuklidkarte der Abbildung mit einer gelben Füllfarbe versehen worden. Der α-Zerfall spielt wegen der langen Halbwertszeiten (T1/2) bei Bildung und Zerfall der Actinoide während der Aufenthaltsdauer des Brennstoffs in einem Leistungsreaktor (max. ca. 3 Jahre) so gut wie keine Rolle. Ausnahmen sind die beiden relativ kurzlebigen Nuklide 242Cm (T1/2 = 163 d) und 236Pu (T1/2 = 2.9 a). Nur für diese beiden Fälle ist der α-Zerfall durch lange, abwärts zeigende Pfeile auf der Nuklidkarte markiert. Alle in der Abbildung angegebenen Halbwertszeiten sind die aktuellen evaluierten Nukleardaten NUBASE2012, abgerufen über den Nukleardaten-Viewer JANIS 4. Manche Halbwertszeiten sind gerundet. Zur Bedeutung von Abbrandprogrammen Nur bei der ersten Inbetriebnahme des Reaktors kennt man die Zusammensetzung an Nukliden des Kernbrennstoffs genau. Es ist aber für jeden Zeitpunkt (Abbrandzustand) erforderlich, grundlegende physikalische Größen wie den Neutronenfluss zu kennen. Zu den grundlegenden physikalischen Größen gehören auch die Teilchendichten und Massendichten aller im Reaktor gebildeten Actinoid-Nuklide. Das betrifft sowohl die der anfangs eingebrachten (oder was davon noch vorhanden ist) als auch die der im Reaktorbetrieb gebildeten Nuklide. Die tatsächlichen Teilchendichten (und Massendichten) der Actinoid-Nuklide in Abhängigkeit vom Abbrand im laufenden Betrieb zu messen, ist nicht möglich. Erst nach der Entladung von Kernbrennstoff können diese Größen im Prinzip chemisch oder massenspektrometrisch untersucht werden. Die allermeisten Leistungs-Kernreaktoren erfordern zum Entfernen oder Hinzufügen von Brennstoff die komplette Abschaltung und anschließendes „wieder hoch fahren“. Bei Druckwasserreaktoren kommt hinzu, dass der Innendruck erst ab- und dann wieder aufgebaut werden muss. Das ist sehr aufwendig. Deshalb kommt einer Berechnung, die den Betriebsablauf eines Kernreaktors begleitet, ein hoher Stellenwert zu. Die Entwicklung der Teilchendichten (und Massendichten) von Nukliden in einem Kernreaktor wird in Abhängigkeit vom mittleren Abbrand (engl. Burnup, Depletion) vereinfacht in sog. Abbrandprogrammen berechnet, zum Beispiel: ORIGEN, das erste weltweit verbreitete Programm zur Berechnung der Nuklidbildungen in Abhängigkeit vom Abbrand aus dem Jahr 1973, OrigenArp, ein Programm zur Berechnung der Teilchendichten von Nukliden in Abhängigkeit vom Abbrand aus dem Jahr 2010, das auch in das Programmsystem SCALE (s. u.) integriert ist. Für eine detaillierte Analyse werden hochkomplexe Reaktorprogrammsysteme (Neutronen-Transportprogramme) eingesetzt, deren Leistungsumfang weit über den der zuvor genannten Programme hinausgeht und deren Anwendung eine lange Einarbeitungszeit erfordert, zum Beispiel: SCALE, ein großes Programmsystem für unterschiedliche neutronenphysikalische Berechnungen, so u. a. auch für Abbrand- und Abschirmrechnungen, HELIOS, ein Zell- und Abbrandprogrammsystem für Berechnungen in Neutronen-Transportnäherung. In letzteren Programmsystemen sind neben der anfänglichen Materialzusammensetzung auch geometrische Details von Reaktorbauteilen (Zellen) vorzugeben. Von Zeit zu Zeit werden solche Rechnungen mit den Ergebnissen von chemischer und massenspektrometrischer Analyse von entladenem Kernbrennstoff verglichen und gegebenenfalls genauere Messungen noch unsicherer Nukleardaten oder genauere Berechnungsmethoden angestoßen. Entwicklung der Massen der Actinoide im Kernreaktor Die Abbildung Entwicklung der Massen der Actinoide ... zeigt die Zu- oder Abnahme der Massen der 14 häufigsten Actinoid-Nuklide in einem Druckwasserreaktor, der mit angereichertem Uran betrieben wird. Die Zahlenwerte wurden für eine größere Brennstoff-Zelle in Abhängigkeit vom Abbrand (der spezifischen Energiefreisetzung) berechnet. Die Berechnungen wurden im Jahr 2005 mit dem Programmsystem HELIOS 1.8 ausgeführt. Als Anfangsanreicherung des Nuklids 235U wurde für dieses Beispiel 4 % gewählt. Die Punkte auf den Kurven der Abbildung markieren die Schrittweiten in der Abbrandrechnung. Die Schrittweite ist anfangs kleiner, um auch diejenigen Spaltprodukte genauer zu erfassen, die ihre Sättigung sehr schnell erreichen. Das trifft vor allem auf die starken Neutronenabsorber 135Xe (Näheres hierzu unter Xenonvergiftung) und 149Sm zu. Eine ähnliche Abbildung, eingeschränkt auf Uran- und Plutonium-Isotope, findet man im Lehrbuch Neutron Physics von Paul Reuss. Die Masse jedes Nuklids wird durch die anfangs eingesetzte Masse an Schwermetall, der Masse des Urans, geteilt. Dargestellt sind die Massenanteile aller Nuklide, die anfangs vorhanden waren (drei Uran-Nuklide) oder die mit einer Masse von mindestens 10 g pro eingesetzter Tonne Schwermetall nach einem Abbrand von maximal 80 MWd/kg gebildet werden. Wie die Abbildung zeigt, nehmen die Massen der drei anfangs vorhandenen Uranisotope 238U, 235U und 234U mit steigendem Abbrand monoton ab. Gleichzeitig nehmen die Massen der höheren Actinoide fast linear zu (man beachte die logarithmische Skalierung der Ordinate). Von allen synthetischen Actinoiden nimmt die Masse des Nuklids 239Pu am stärksten zu. Damit wächst auch die Anzahl der Spaltungen der Kerne des Nuklids 239Pu. Ab einem Abbrand von ca. 45 MWd/kg nimmt dessen Masse wieder geringfügig ab. Würde man die Ordinate nach unten auf einen Massenanteil von mindestens 1 g pro eingesetzter Tonne Schwermetall herabsetzen, kämen auf der Abbildung ab einem Abrand von ca. 45 MWd/kg das Nuklid 242m1Am und ab einem Abrand von ca. 60 MWd/kg das Nuklid 243Cm hinzu. Zusammengefasst: In einem Druckwasserreaktor mit Uran-Brennelementen (ohne MOX-Brennelemente) werden aus den ursprünglich vorhandenen Actinoid-Nukliden 235U und 238U (und einem geringen Anteil 234U) maximal 13 synthetische Actinoid-Nuklide innerhalb der üblichen Betriebszeiten gebildet, deren Anteil größer als 1 g je Tonne Startmasse Schwermetall (SM) ist, also 1 ppm. Das sind die Nuklide 236U, 237Np, 238Pu, 239Pu, 240Pu, 241Pu, 242Pu, 241Am, 242m1Am, 243Am, 242Cm, 243Cm und 244Cm. Nuklide der Elemente Berkelium und Californium werden in einem Kernreaktor ebenfalls, aber nur in sehr geringen Mengen gebildet. Die Actinoide können, wie erwähnt, durch chemische Aufarbeitung von entladenem Brennstoff extrahiert werden. Der Massenanteil von Curium zum Beispiel beträgt ca. 0,00024 bei einem Abbrand von 60 MWd/kg: , wobei die Masse des Curiums und die Startmasse des Schwermetalls bedeuten. In einem Leistungsreaktor beträgt die anfängliche Schwermetallmasse ca. , verteilt auf 193 Brennelemente. Angenommen, alle Brennelemente seien entladen worden, die diesen Abbrandzustand erreicht haben. Folglich ist die Masse des Curiums . Im gesamten Reaktor sind bei diesem mittleren Abbrand im Brennstoff ca. 24 kg Curium entstanden. Anzumerken ist, dass Leistungsreaktoren nicht betrieben werden, um Actinoide zu gewinnen, sondern um möglichst viele Actinoide zu spalten und Energie freizusetzen. Die Gesamtmasse aller Actinoide verringert sich durch Kernspaltung, und zwar bei einem mittleren Abbrand von 60 MWd/kg um insgesamt nur ca. 6 %. Diese findet sich im Wesentlichen in der Masse der Spaltprodukte wieder. Obwohl sämtliche freigesetzte Energie auf dem Massendefekt basiert, ist dessen Effekt auf die Gesamtmasse vernachlässigbar. Eigenschaften Nukleare Eigenschaften Die hervorgehobene Stellung der Actinoide, man denke an ihre Bedeutung zur nuklearen Energiefreisetzung und an Kernwaffen, werden durch die Eigenschaften ihrer Atomkerne determiniert. Alle Actinoid-Nuklide sind radioaktiv. Alle Actinoid-Nuklide sind neutroneninduziert spaltbar, wenn auch mit sehr unterschiedlichen Wirkungsquerschnitten, die außerdem sehr stark von der kinetischen Energie der Neutronen abhängen. Thermische Neutronen haben eine höhere Wahrscheinlichkeit überhaupt mit den Nukliden zu interagieren während bei schnellen Neutronen die Kernspaltung wahrscheinlicher ist, wenn es überhaupt zu einer Interaktion zwischen Kern und Neutron kommt. Alle Actinoid-Isotope sind durch schnelle Neutronen spaltbar, aber nur einige durch thermische Neutronen. Die vier Actinoid-Nuklide 232Th, 234U, 235U und 238U kommen natürlich vor. Ihre Quadrate sind in der obigen Nuklidkarte durch eine dickere Umrandung hervorgehoben. Mit Ausnahme von 234U sind es primordiale Nuklide, also Nuklide, die schon bei der Entstehung der Erde vorhanden waren und noch nicht vollständig zerfallen sind. Das natürlich vorkommende, extrem seltene primodiale Plutonium-Nuklid 244Pu spielt im Kernreaktor keine Rolle. Sein Massenanteil in einigen Erzen liegt bei 10−18. Im Jahr 2000 waren mehr als 200 synthetisch erzeugte Actinoid-Nuklide bekannt. Die meisten besitzen kurze Halbwertszeiten. Nur 45 haben Halbwertszeiten T1/2 > 40 d. Von 41 Actinoid-Nukliden wird angenommen, dass sie zu einer sich selbsterhaltenden Kettenreaktion fähig sind. Andere Quellen gehen von weniger Actinoid-Nukliden aus, für die es eine kritische Masse gibt. Für die sechs Actinoid-Nuklide 233U, 235U, 238U, 239Pu, 240Pu und 241Pu sind die Wirkungsquerschnitte relativ genau bekannt, für alle anderen sind die Nukleardaten weniger genau. Auf Kritikalitätsberechnungen wirken sich diese Ungenauigkeiten aber kaum aus. Je weniger Masse eines Nuklids sich im Kernreaktor befindet, desto geringer ist die Auswirkung fehlerhafter Wirkungsquerschnitte auf solche Berechnungen. Klassische physikalische Eigenschaften Einige physikalische Eigenschaften der Actinoid-Elemente findet man unter dem Stichwort der Namen der Elemente. Die Voraussetzung dafür, dass klassische physikalische Eigenschaften, zum Beispiel Kristallstruktur, Massendichte, Schmelzpunkt, Siedepunkt oder elektrische Leitfähigkeit gemessen werden können, ist es, dass das Element in wägbaren Mengen gewonnen werden kann. Die Anzahl der tatsächlich gemessenen physikalischen Eigenschaften nimmt mit wachsender Ordnungszahl des Elements schnell ab. Zum Beispiel ist Californium das letzte Actinoid-Element, von dem die Massendichte gemessen werden konnte. Zur Atomphysik der Actinoide ist anzumerken: Alle Actinoide sind, wie oben erwähnt, Schwermetalle. Einige Actinoide sind in feinverteiltem Zustand pyrophor. Actinoide gehören wie die Lanthanoide zu den inneren Übergangselementen oder f-Block-Elementen, da in diesen Reihen die f-Unterschalen mit Elektronen aufgefüllt werden. Chemische Eigenschaften Alle Actinoide bilden dreifach geladene Ionen, sie werden wie das Actinium als Untergruppe der 3. Nebengruppe aufgefasst. Die „leichteren“ Actinoide (Thorium bis Americium) kommen in einer größeren Anzahl von Oxidationszahlen vor als die entsprechenden Lanthanoide. Farben der Actinoid-Ionen in wässriger Lösung Verbindungen Die Eigenschaften beziehen sich auf das häufigste bzw. stabilste Isotop. Oxide Die vierwertigen Oxide der Actinoide kristallisieren im kubischen Kristallsystem; der Strukturtyp ist der CaF2-Typ (Fluorit) mit der und den Koordinationszahlen An[8], O[4]. Halogenide Die dreiwertigen Chloride der Actinoide kristallisieren im hexagonalen Kristallsystem. Die Struktur des Uran(III)-chlorids ist die Leitstruktur für eine Reihe weiterer Verbindungen. In dieser werden die Metallatome von je neun Chloratomen umgeben. Als Koordinationspolyeder ergibt sich dabei ein dreifach überkapptes, trigonales Prisma, wie es auch bei den späteren Actinoiden und den Lanthanoiden häufig anzutreffen ist. Es kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der und zwei Formeleinheiten pro Elementarzelle. Einzelnachweise Literatur Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements. Springer, Dordrecht 2006, ISBN 1-4020-3555-1: Harold W. Kirby, Lester R. Morss: Actinium, S. 18–51; . Mathias S. Wickleder, Blandine Fourest, Peter K. Dorhout: Thorium, S. 52–160; . Boris F. Myasoedov, Harold W. Kirby, Ivan G. Tananaev: Protactinium, S. 161–252; . Ingmar Grenthe, Janusz Drożdżynński, Takeo Fujino, Edgar C. Buck, Thomas E. Albrecht-Schmitt, Stephen F. Wolf: Uranium, S. 253–698; . Zenko Yoshida, Stephen G. Johnson, Takaumi Kimura, John R. Krsul: Neptunium, S. 699–812; . David L. Clark, Siegfried S. Hecker, Gordon D. Jarvinen, Mary P. Neu: Plutonium, S. 813–1264; . Wolfgang H. Runde, Wallace W. Schulz: Americium, S. 1265–1395; . Gregg J. Lumetta, Major C. Thompson, Robert A. Penneman, P. Gary Eller: Curium, S. 1397–1443; . David E. Hobart, Joseph R. Peterson: Berkelium, S. 1444–1498; . Richard G. Haire: Californium, S. 1499–1576; . Richard G. Haire: Einsteinium, S. 1577–1620; . Robert J. Silva: Fermium, Mendelevium, Nobelium, and Lawrencium, S. 1621–1651; . James E. Huheey: Anorganische Chemie. de Gruyter, Berlin 1988, ISBN 3-11-008163-6, S. 873–900. Norman N. Greenwood, Alan Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1601–1641. dtv-Atlas zur Chemie, Teil 1. 1981, S. 222–229. Weblinks


source: wikipedia

text: Americium (; Elementsymbol Am) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 95. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Americium ist neben Europium das einzige nach einem Erdteil benannte Element. Es ist ein leicht verformbares radioaktives Metall silbrig-weißen Aussehens. Von Americium gibt es kein stabiles Isotop. Auf der Erde kommt es ausschließlich in künstlich erzeugter Form vor. Das Element wurde erstmals im Spätherbst 1944 erzeugt, die Entdeckung jedoch zunächst nicht veröffentlicht. Kurioserweise wurde seine Existenz in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder durch den Entdecker Glenn T. Seaborg, den Gast der Sendung, der Öffentlichkeit preisgegeben. Americium wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g des Elements. Es wird als Quelle ionisierender Strahlung eingesetzt, z. B. in der Fluoreszenzspektroskopie und in Ionisationsrauchmeldern. Das Americiumisotop 241Am wurde wegen seiner gegenüber Plutonium (238Pu) wesentlich längeren Halbwertszeit von 432,2 Jahren zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) für Raumsonden vorgeschlagen, welche dann hunderte Jahre lang elektrische Energie zum Betrieb bereitstellen würden. Geschichte Americium wurde im Spätherbst 1944 von Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, Leon O. Morgan und Albert Ghiorso im 60-Zoll-Cyclotron an der Universität von Kalifornien in Berkeley sowie am metallurgischen Laboratorium der Universität von Chicago (heute: Argonne National Laboratory) erzeugt. Nach Neptunium und Plutonium war Americium das vierte Transuran, das seit dem Jahr 1940 entdeckt wurde; das um eine Ordnungszahl höhere Curium wurde als drittes schon im Sommer 1944 erzeugt. Der Name für das Element wurde in Anlehnung zum Erdteil Amerika gewählt – in Analogie zu Europium, dem Seltene-Erden-Metall, das im Periodensystem genau über Americium steht: The name americium (after the Americas) and the symbol Am are suggested for the element on the basis of its position as the sixth member of the actinide rare-earth series, analogous to europium, Eu, of the lanthanide series. Zur Erzeugung des neuen Elements wurden in der Regel die Oxide der Ausgangselemente verwendet. Dazu wurde zunächst Plutoniumnitratlösung (mit dem Isotop 239Pu) auf eine Platinfolie von etwa 0,5 cm2 aufgetragen; die Lösung danach eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid (PuO2) geglüht. Nach dem Beschuss im Cyclotron wurde die Beschichtung mittels Salpetersäure gelöst, anschließend wieder mit einer konzentrierten wässrigen Ammoniaklösung als Hydroxid ausgefällt; der Rückstand wurde in Perchlorsäure gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mit Ionenaustauschern. In ihren Versuchsreihen wurden der Reihe nach vier verschiedene Isotope erzeugt: 241Am, 242Am, 239Am und 238Am. Als erstes Isotop isolierten sie 241Am aus einer Plutonium-Probe, die mit Neutronen bestrahlt wurde. Es zerfällt durch Aussendung eines α-Teilchens in 237Np. Die Halbwertszeit dieses α-Zerfalls wurde zunächst auf 510 ± 20 Jahre bestimmt; der heute allgemein akzeptierte Wert ist 432,2 a. Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten. Als zweites Isotop wurde 242Am durch erneuten Neutronenbeschuss des zuvor erzeugten 241Am gefunden. Durch nachfolgenden raschen β-Zerfall entsteht dabei 242Cm, das zuvor schon entdeckte Curium. Die Halbwertszeit dieses β-Zerfalls wurde zunächst auf 17 Stunden bestimmt, der heute als gültig ermittelte Wert beträgt 16,02 h. Erstmals öffentlich bekannt gemacht wurde die Entdeckung des Elements in der amerikanischen Radiosendung Quiz Kids am 11. November 1945 durch Glenn T. Seaborg, noch vor der eigentlichen Bekanntmachung bei einem Symposium der American Chemical Society: Einer der jungen Zuhörer fragte den Gast der Sendung, Seaborg, ob während des Zweiten Weltkrieges im Zuge der Erforschung von Nuklearwaffen neue Elemente entdeckt wurden. Seaborg bejahte die Frage und enthüllte dabei auch gleichzeitig die Entdeckung des nächsthöheren Elements, Curium. Americium (241Am und 242Am) und seine Produktion wurde später unter dem Namen Element 95 and method of producing said element patentiert, wobei als Erfinder nur Glenn T. Seaborg angegeben wurde. In elementarer Form wurde es erstmals im Jahr 1951 durch Reduktion von Americium(III)-fluorid mit Barium dargestellt. Vorkommen Americiumisotope entstehen im r-Prozess in Supernovae und kommen auf der Erde wegen ihrer im Vergleich zum Alter der Erde zu geringen Halbwertszeit nicht natürlich vor. Heutzutage wird jedoch Americium als Nebenprodukt in Kernkraftwerken erbrütet; das Americiumisotop 241Am entsteht als Zerfallsprodukt (u. a. in abgebrannten Brennstäben) aus dem Plutoniumisotop 241Pu. Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g verschiedener Americiumisotope. Es handelt sich dabei hauptsächlich um die α-Strahler 241Am und 243Am, die aufgrund ihrer relativ langen Halbwertszeiten in der Endlagerung unerwünscht sind und deshalb zum Transuranabfall zählen. Eine Verminderung der Langzeitradiotoxizität in nuklearen Endlagern wäre durch Abtrennung langlebiger Isotope aus abgebrannten Kernbrennstoffen möglich. Zur Beseitigung des Americiums wird derzeit die Partitioning & Transmutation-Strategie untersucht. Gewinnung und Darstellung Gewinnung von Americiumisotopen Americium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung. Durch die aufwändige Gewinnung aus abgebrannten Brennstäben hat es einen sehr hohen Preis. Seit der Markteinführung 1962 soll der Preis für Americium(IV)-oxid mit dem Isotop 241Am bei etwa 1500 US-Dollar pro Gramm liegen. Das Americiumisotop 243Am entsteht in geringeren Mengen im Reaktor aus 241Am und ist deshalb mit 160 US-Dollar pro Milligramm 243Am noch wesentlich teurer. Americium wird über das Plutoniumisotop 239Pu in Kernreaktoren mit hohem 238U-Anteil zwangsläufig erbrütet, da es aus diesem durch Neutroneneinfang und zwei anschließende β-Zerfälle (über 239U und 239Np) entsteht. Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten. Danach wird, wenn es nicht zur Kernspaltung kommt, aus dem 239Pu, neben anderen Nukliden, durch stufenweisen Neutroneneinfang (n,γ) und anschließenden β-Zerfall 241Am oder 243Am erbrütet. Das Plutonium, welches aus abgebrannten Brennstäben von Leistungsreaktoren gewonnen werden kann, besteht zu etwa 12 % aus dem Isotop 241Pu. Deshalb erreichen erst 70 Jahre, nachdem der Brutprozess beendet wurde, die abgebrannten Brennstäbe ihren Maximalgehalt von 241Am; danach nimmt der Gehalt wieder (langsamer als der Anstieg) ab. Aus dem so entstandenen 241Am kann durch weiteren Neutroneneinfang im Reaktor 242Am entstehen. Bei Leichtwasserreaktoren soll aus dem 241Am zu 79 % 242Am und zu 10 % 242mAm entstehen: zu 79 %: zu 10 %: Für die Erbrütung von 243Am ist ein vierfacher Neutroneneinfang des 239Pu erforderlich: Darstellung elementaren Americiums Metallisches Americium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurde Americium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen aus Tantal und Wolfram mit elementarem Barium zur Reaktion gebracht. 2 AmF3 + 3 Ba -> 2 Am + 3 BaF2 Auch die Reduktion von Americium(IV)-oxid mittels Lanthan oder Thorium ergibt metallisches Americium. 3 AmO2 + 4 La -> 3 Am + 2 La2O3 Eigenschaften Im Periodensystem steht das Americium mit der Ordnungszahl 95 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Plutonium, das nachfolgende Element ist das Curium. Sein Analogon in der Reihe der Lanthanoiden ist das Europium. Physikalische Eigenschaften Americium ist ein radioaktives Metall. Frisch hergestelltes Americium ist ein silberweißes Metall, welches jedoch bei Raumtemperatur langsam matt wird. Es ist leicht verformbar. Sein Schmelzpunkt beträgt 1176 °C, der Siedepunkt liegt bei 2607 °C. Die Dichte beträgt 13,67 g·cm−3. Es tritt in zwei Modifikationen auf. Die bei Standardbedingungen stabile Modifikation α-Am kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der mit den Gitterparametern a = 346,8 pm und c = 1124 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die Kristallstruktur besteht aus einer doppelt-hexagonal dichtesten Kugelpackung (d. h.c.p.) mit der Schichtfolge ABAC und ist damit isotyp zur Struktur von α-La. Bei hohem Druck geht α-Am in β-Am über. Die β-Modifikation kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe mit dem Gitterparameter a = 489 pm, was einem kubisch flächenzentrierten Gitter (f.c.c.) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht. Die Lösungsenthalpie von Americium-Metall in Salzsäure bei Standardbedingungen beträgt −620,6 ± 1,3 kJ·mol−1. Ausgehend von diesem Wert erfolgte die erstmalige Berechnung der Standardbildungsenthalpie (ΔfH0) von Am3+(aq) auf −621,2 ± 2,0 kJ·mol−1 und des Standardpotentials Am3+ / Am0 auf −2,08 ± 0,01 V. Chemische Eigenschaften Americium ist ein sehr reaktionsfähiges Element, das schon mit Luftsauerstoff reagiert und sich gut in Säuren löst. Gegenüber Alkalien ist es stabil. Die stabilste Oxidationsstufe für Americium ist +3, die Am(III)-Verbindungen sind gegen Oxidation und Reduktion sehr stabil. Mit dem Americium liegt der erste Vertreter der Actinoiden vor, der in seinem Verhalten eher den Lanthanoiden ähnelt als den d-Block-Elementen. Es ist auch in den Oxidationsstufen +2 sowie +4, +5, +6 und +7 zu finden. Je nach Oxidationszahl variiert die Farbe von Americium in wässriger Lösung ebenso wie in festen Verbindungen:Am3+ (gelbrosa), Am4+ (gelbrot), AmVO2+ (gelb), AmVIO22+ (zitronengelb), AmVIIO65− (dunkelgrün). Im Gegensatz zum homologen Europium – Americium hat eine zu Europium analoge Elektronenkonfiguration – kann Am3+ in wässriger Lösung nicht zu Am2+ reduziert werden. Verbindungen mit Americium ab Oxidationszahl +4 aufwärts sind starke Oxidationsmittel, vergleichbar dem Permanganat-Ion (MnO4−) in saurer Lösung. Die in wässriger Lösung nicht beständigen Am4+-Ionen lassen sich nur noch mit starken Oxidationsmitteln aus Am(III) darstellen. In fester Form sind zwei Verbindungen des Americiums in der Oxidationsstufe +4 bekannt: Americium(IV)-oxid (AmO2) und Americium(IV)-fluorid (AmF4). Der fünfwertige Oxidationszustand wurde beim Americium erstmals 1951 beobachtet. In wässriger Lösung liegen primär AmO2+-Ionen (sauer) oder AmO3−-Ionen (alkalisch) vor, die jedoch instabil sind und einer raschen Disproportionierung unterliegen: 3 AmO2^+ + 4 H^+ -> 2 AmO2^2+ + Am^3+ + 2 H2O Zunächst ist von einer Disproportionierung zur Oxidationsstufe +6 und +4 auszugehen: 2 Am (V) -> Am (VI) + Am (IV) Etwas beständiger als Am(IV) und Am(V) sind die Americium(VI)-Verbindungen. Sie lassen sich aus Am(III) durch Oxidation mit Ammoniumperoxodisulfat in verdünnter Salpetersäure herstellen. Der typische rosafarbene Ton verschwindet in Richtung zu einer starken Gelbfärbung. Zudem kann die Oxidation mit Silber(I)-oxid in Perchlorsäure quantitativ erreicht werden. In Natriumcarbonat- oder Natriumhydrogencarbonat-Lösungen ist eine Oxidation mit Ozon oder Natriumperoxodisulfat gleichfalls möglich. Biologische Aspekte Eine biologische Funktion des Americiums ist nicht bekannt. Vorgeschlagen wurde der Einsatz immobilisierter Bakterienzellen zur Entfernung von Americium und anderen Schwermetallen aus Fließgewässern. So können Enterobakterien der Gattung Citrobacter durch die Phosphataseaktivität in ihrer Zellwand bestimmte Americiumnuklide aus wässriger Lösung ausfällen und als Metall-Phosphat-Komplex binden. Ferner wurden die Faktoren untersucht, die die Biosorption und Bioakkumulation des Americiums durch Bakterien und Pilze beeinflussen. Spaltbarkeit Das Isotop 242m1Am hat mit rund 5700 barn den höchsten bisher (10/2008) gemessenen thermischen Spaltquerschnitt. Damit geht eine kleine kritische Masse einher, weswegen 242m1Am als Spaltmaterial vorgeschlagen wurde, um beispielsweise Raumschiffe mit Kernenergieantrieb anzutreiben. Dieses Isotop eignet sich prinzipiell auch zum Bau von Kernwaffen. Die kritische Masse einer reinen 242m1Am-Kugel beträgt etwa 9–14 kg. Die Unsicherheiten der verfügbaren Wirkungsquerschnitte lassen derzeit keine genauere Aussage zu. Mit Reflektor beträgt die kritische Masse noch etwa 3–5 kg. In wässriger Lösung wird sie nochmals stark herabgesetzt. Auf diese Weise ließen sich sehr kompakte Sprengköpfe bauen. Nach öffentlichem Kenntnisstand wurden bisher keine Kernwaffen aus 242m1Am gebaut, was mit der geringen Verfügbarkeit und dem hohen Preis begründet werden kann. Aus denselben Gründen wird 242m1Am auch nicht als Kernbrennstoff in Kernreaktoren eingesetzt, obwohl es dazu prinzipiell sowohl in thermischen als auch in schnellen Reaktoren geeignet wäre. Auch die beiden anderen häufiger verfügbaren Isotope, 241Am und 243Am können in einem schnellen Reaktor eine Kettenreaktion aufrechterhalten. Die kritischen Massen sind hier jedoch sehr hoch. Sie betragen unreflektiert 57,6–75,6 kg bei 241Am und 209 kg bei 243Am, so dass sich durch die Verwendung keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Spaltstoffen ergeben. Entsprechend ist Americium rechtlich nach Abs. 1 des Atomgesetzes nicht den Kernbrennstoffen zugeordnet. Es existieren jedoch Vorschläge, sehr kompakte Reaktoren mit einem Americium-Inventar von lediglich knapp 20 g zu konstruieren, die in Krankenhäusern als Neutronenquelle für die Neutroneneinfangtherapie verwendet werden können. Isotope Von Americium sind 16 Isotope und 11 Kernisomere mit Halbwertszeiten zwischen Bruchteilen von Mikrosekunden und 7370 Jahren bekannt. Es gibt zwei langlebige α-strahlende Isotope 241Am mit 432,2 und 243Am mit 7370 Jahren Halbwertszeit. Außerdem hat das Kernisomer 242m1Am mit 141 Jahren eine lange Halbwertszeit. Die restlichen Kernisomere und Isotope haben mit 0,64 μs bei 245m1Am bis 50,8 Stunden bei 240Am kurze Halbwertszeiten. 241Am ist das am häufigsten erbrütete Americiumisotop und liegt auf der Neptunium-Reihe. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 432,2 Jahren mit einem α-Zerfall zu 237Np. 241Am gibt nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,35 % die gesamte Zerfallsenergie mit dem α-Teilchen ab, sondern emittiert meistens noch ein oder mehrere Gammaquanten. 242Am ist kurzlebig und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 16,02 h zu 82,7 % durch β-Zerfall zu 242Cm und zu 17,3 % durch Elektroneneinfang zu 242Pu. Das 242Cm zerfällt zu 238Pu und dieses weiter zu 234U, das auf der Uran-Radium-Reihe liegt. Das 242Pu zerfällt über die gleiche Zerfallskette wie 238Pu. Während jedoch 238Pu als Seitenarm beim 234U auf die Zerfallskette kommt, steht 242Pu noch vor dem 238U. 242Pu zerfällt durch α-Zerfall in 238U, den Beginn der natürlichen Uran-Radium-Reihe. 242m1Am zerfällt mit einer Halbwertszeit von 141 Jahren zu 99,541 % durch Innere Konversion zu 242Am und zu 0,459 % durch α-Zerfall zu 238Np. Dieses zerfällt zu 238Pu und dann weiter zu 234U, das auf der Uran-Radium-Reihe liegt. 243Am ist mit einer Halbwertszeit von 7370 Jahren das langlebigste Americiumisotop. Es geht zunächst durch α-Strahlung in 239Np über, das durch β-Zerfall weiter zu 239Pu zerfällt. Das 239Pu zerfällt durch α-Strahlung zu Uran 235U, dem offiziellen Anfang der Uran-Actinium-Reihe. Die Americiumisotope mit ungerader Neutronenzahl, also gerader Massenzahl, sind gut durch thermische Neutronen spaltbar. → Liste der Americiumisotope Verwendung Für die Verwendung von Americium sind vor allem die beiden langlebigsten Isotope 241Am und 243Am von Interesse. In der Regel wird es in Form des Oxids (AmO2) verwendet. Ionisationsrauchmelder Die α-Strahlung des 241Am wird in Ionisationsrauchmeldern genutzt. Es wird gegenüber 226Ra bevorzugt, da es vergleichsweise wenig γ-Strahlung emittiert. Dafür muss aber die Aktivität gegenüber Radium ca. das Fünffache betragen. Die Zerfallsreihe von 241Am „endet“ für den Verwendungszeitraum quasi direkt nach dessen α-Zerfall bei 237Np, das eine Halbwertszeit von rund 2,144 Millionen Jahren besitzt. Radionuklidbatterien 241Am wird wegen besserer Verfügbarkeit von der ESA zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) von Raumsonden untersucht. Die ESA-Mitgliedsstaaten verfügen über keinen Brutreaktor, der das bisher häufig eingesetzte 238Pu in den notwendigen Mengen produzieren könnte, somit ist man bisher für Missionen jenseits der Jupiterumlaufbahn auf eine Zusammenarbeit mit der NASA angewiesen. 241Am lässt sich hingegen deutlich preiswerter aus leicht verfügbaren abgebrannten Kernbrennstäben oder dem sogenannten Atommüll in ausreichenden Mengen isolieren. Der Leistungsabfall über eine Missionsdauer von 15 bis 20 Jahren ist mit 3,2 % deutlich geringer als bei Einheiten auf Basis von 238Pu mit 15 %. Die ESA plant, ab Mitte der 2020er Radionuklidbatterien in Missionsstudien zu berücksichtigen. Die Zerfallsprodukte eines solchen RTG sind in erster Linie die sehr langlebigen Alphastrahler 237Np und 233U. Ein RTG aus 241Am benötigt allerdings die vierfache Masse als ein RTG mit vergleichbarer anfänglicher Leistung aus 238Pu. Besondere Vorteile hätte ein solcher RTG für sehr langlebige Missionen. Neutronenquellen 241Am als Oxid mit Beryllium verpresst stellt eine Neutronenquelle dar, die beispielsweise für radiochemische Untersuchungen eingesetzt wird. Hierzu wird der hohe Wirkungsquerschnitt des Berylliums für (α,n)-Kernreaktionen ausgenutzt, wobei das Americium als Produzent der α-Teilchen dient. Die entsprechenden Reaktionsgleichungen lauten: Derartige Neutronenquellen kommen beispielsweise in der Neutronenradiographie und -tomographie zum Einsatz. Ionisator Neben dem häufig verwendeten 210Po als Ionisator zur Beseitigung von unerwünschter elektrostatischer Aufladung kam auch 241Am zum Einsatz. Dazu wurde z. B. die Quelle am Kopf einer Bürste montiert mit der man langsam über die zu behandelnden Oberflächen strich und dadurch eine Wiederverschmutzung durch elektrostatisch angezogene Staubpartikel vermeiden konnte. Herstellung anderer Elemente Americium ist Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und auch der Transactinoide. Aus 242Am entsteht zu 82,7 % Curium (242Cm) und zu 17,3 % Plutonium (242Pu). Im Kernreaktor wird zwangsläufig in geringen Mengen durch Neutroneneinfang aus 243Am das 244Am erbrütet, das durch β-Zerfall zum Curiumisotop 244Cm zerfällt. In Teilchenbeschleunigern führt zum Beispiel der Beschuss von 241Am mit Kohlenstoffkernen (12C) beziehungsweise Neonkernen (22Ne) zu den Elementen Einsteinium 247Es beziehungsweise Dubnium 260Db. Spektrometer Mit seiner intensiven Gammastrahlungs-Spektrallinie bei 60 keV eignet sich 241Am gut als Strahlenquelle für die Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie. Dies wird auch zur Kalibrierung von Gammaspektrometern im niederenergetischen Bereich verwendet, da die benachbarten Linien vergleichsweise schwach sind und so ein einzeln stehender Peak entsteht. Zudem wird der Peak nur vernachlässigbar durch das Compton-Kontinuum höherenergetischer Linien gestört, da diese ebenfalls höchstens mit einer um mindestens drei Größenordnungen geringeren Intensität auftreten. Sicherheitshinweise und Gefahren Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, welche eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielt. Eine chemische Gefahr liegt überhaupt nur dann vor, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt. Da von Americium nur radioaktive Isotope existieren, darf es selbst sowie seine Verbindungen nur in geeigneten Laboratorien unter speziellen Vorkehrungen gehandhabt werden. Die meisten gängigen Americiumisotope sind α-Strahler, weshalb eine Inkorporation unbedingt vermieden werden muss. Das breite Spektrum der hieraus resultierenden meist ebenfalls radioaktiven Tochternuklide stellt ein weiteres Risiko dar, das bei der Wahl der Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden muss. 241Am gibt beim radioaktiven Zerfall große Mengen relativ weicher Gammastrahlung ab, die sich gut abschirmen lässt. Nach Untersuchungen des Forschers Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrums Karlsruhe erzeugt Americium (wie Plutonium), bei Aufnahme in den Körper, mehr Knochentumore als dieselbe Dosis Radium. Die biologische Halbwertszeit von 241Am beträgt in den Knochen 50 Jahre und in der Leber 20 Jahre. In den Gonaden verbleibt es dagegen offensichtlich dauerhaft. Verbindungen → Kategorie: Americiumverbindung Oxide Von Americium existieren Oxide der Oxidationsstufen +3 (Am2O3) und +4 (AmO2). Americium(III)-oxid (Am2O3) ist ein rotbrauner Feststoff und hat einen Schmelzpunkt von 2205 °C. Americium(IV)-oxid (AmO2) ist die wichtigste Verbindung dieses Elements. Nahezu alle Anwendungen dieses Elements basieren auf dieser Verbindung. Sie entsteht unter anderem implizit in Kernreaktoren beim Bestrahlen von Urandioxid (UO2) bzw. Plutoniumdioxid (PuO2) mit Neutronen. Es ist ein schwarzer Feststoff und kristallisiert – wie die anderen Actinoiden(IV)-oxide – im kubischen Kristallsystem in der Fluorit-Struktur. Halogenide Halogenide sind für die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 bekannt. Die stabilste Stufe +3 ist für sämtliche Verbindungen von Fluor bis Iod bekannt und in wässriger Lösung stabil. Americium(III)-fluorid (AmF3) ist schwerlöslich und kann durch die Umsetzung einer wässrigen Americiumlösung mit Fluoridsalzen im schwach Sauren durch Fällung hergestellt werden: Das tetravalente Americium(IV)-fluorid (AmF4) ist durch die Umsetzung von Americium(III)-fluorid mit molekularem Fluor zugänglich: In der wässrigen Phase wurde das vierwertige Americium auch beobachtet. Americium(III)-chlorid (AmCl3) bildet rosafarbene hexagonale Kristalle. Seine Kristallstruktur ist isotyp mit Uran(III)-chlorid. Der Schmelzpunkt der Verbindung liegt bei 715 °C. Das Hexahydrat (AmCl3·6 H2O) weist eine monokline Kristallstruktur auf. Durch Reduktion mit Na-Amalgam aus Am(III)-Verbindungen sind Am(II)-Salze zugänglich: die schwarzen Halogenide AmCl2, AmBr2 und AmI2. Sie sind sehr sauerstoffempfindlich, und oxidieren in Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff zu Am(III)-Verbindungen. Chalkogenide und Pentelide Von den Chalkogeniden sind bekannt: das Sulfid (AmS2), zwei Selenide (AmSe2 und Am3Se4) und zwei Telluride (Am2Te3 und AmTe2). Die Pentelide des Americiums (243Am) des Typs AmX sind für die Elemente Phosphor, Arsen, Antimon und Bismut dargestellt worden. Sie kristallisieren im NaCl-Gitter. Silicide und Boride Americiummonosilicid (AmSi) und Americium„disilicid“ (AmSix mit: 1,87 < x < 2,0) wurden durch Reduktion von Americium(III)-fluorid mit elementaren Silicium im Vakuum bei 1050 °C (AmSi) und 1150–1200 °C (AmSix) dargestellt. AmSi ist eine schwarze Masse, isomorph mit LaSi. AmSix ist eine hellsilbrige Verbindung mit einem tetragonalen Kristallgitter. Boride der Zusammensetzungen AmB4 und AmB6 sind gleichfalls bekannt. Metallorganische Verbindungen Analog zu Uranocen, einer Organometallverbindung in der Uran von zwei Cyclooctatetraen-Liganden komplexiert ist, wurden die entsprechenden Komplexe von Thorium, Protactinium, Neptunium, Plutonium und auch des Americiums, (η8-C8H8)2Am, dargestellt. Literatur Wolfgang H. Runde, Wallace W. Schulz: Americium, in: Lester R. Morss, Norman M. Edelstein, Jean Fuger (Hrsg.): The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements, Springer, Dordrecht 2006; ISBN 1-4020-3555-1, S. 1265–1395 (doi:10.1007/1-4020-3598-5_8). Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, System Nr. 71, Transurane: Teil A 1 I, S. 30–34; Teil A 1 II, S. 18, 315–326, 343–344; Teil A 2, S. 42–44, 164–175, 185–188; Teil B 1, S. 57–67. Weblinks Rachel Sheremeta Pepling: Americium. Chemical & Engineering News, 2003. Einzelnachweise