Americium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP ^[3]
²³⁸Am	{syn.}	98 min	ε (≈ 100 %)		²³⁸Pu
²³⁸Am	{syn.}	98 min	α (1,0 · 10⁻⁴ %)		²³⁴Np
²³⁹Am	{syn.}	11,9 h	ε (≈ 100 %)		²³⁹Pu
²³⁹Am	{syn.}	11,9 h	α (0,010 %)		²³⁵Np
²⁴⁰Am	{syn.}	50,8 h	ε (≈ 100 %)		²⁴⁰Pu
²⁴⁰Am	{syn.}	50,8 h	α (1,9 · 10⁻⁴ %)		²³⁶Np
²⁴¹Am	{syn.}	432,2 a	α (≈ 100 %)	5,638	²³⁷Np
²⁴¹Am	{syn.}	432,2 a	SF (4,3 · 10⁻¹⁰ %)	?	?
²⁴²Am	{syn.}	16,02 h	β⁻ (82,7 %)	0,665	²⁴²Cm
²⁴²Am	{syn.}	16,02 h	ε (17,3 %)	0,751	²⁴²Pu
^242m1Am	{syn.}	141 a	IT (≈ 100 %)	0,049	²⁴²Am
			α (0,45 %)	5,637	²³⁸Np
			SF (4,7 · 10⁻⁹ %)	?	?
^242m2Am	{syn.}	14.0 ms	SF (≈ 100 %)	?	?
			α	7,788	²³⁸Np
			IT	2,2	²⁴²Am
²⁴³Am	{syn.}	7370 a	α (≈ 100 %)	5,438	²³⁹Np
²⁴³Am	{syn.}	7370 a	SF (4,7 · 10⁻⁹ %)	?	?
²⁴⁴Am	{syn.}	10,1 h	β⁻ (100 %)		²⁴⁴Cm

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung ^[4]

keine Einstufung verfügbar

R- und S-Sätze

R: siehe oben

S: siehe oben

weitere Sicherheitshinweise

Radioaktivität

Radioaktives Element

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Americium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Am und der Ordnungszahl 95 im Periodensystem der Elemente. Auf der Erde liegt es ausschließlich in künstlich erzeugter Form vor. Es gehört zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Neben Europium ist Americium das einzige nach einem Erdteil benannte Element.

Bei Americium handelt es sich um ein radioaktives Metall, es hat ein silbrig-weißes Aussehen und ist leicht verformbar. Es wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g des Metalls.

Americium wurde im Spätherbst 1944 erstmalig erzeugt, die Entdeckung wurde zunächst nicht veröffentlicht. Kurioserweise wurde dessen Existenz in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder durch den Entdecker Glenn T. Seaborg, dem Gast der Sendung, der Öffentlichkeit preisgegeben.

Americium wird als Quelle für ionisierende Strahlung eingesetzt, z. B. in der Fluoreszenzspektroskopie und in Ionisationsrauchmeldern. Americium ²⁴¹Am wurde wegen seiner gegenüber Plutonium ²³⁸Pu wesentlich längeren Halbwertszeit von 432,2 Jahren zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) von Raumsonden vorgeschlagen, welche dann hunderte Jahre lang elektrische Energie zum Betrieb bereitstellen würden.

[Bearbeiten] Entdeckungsgeschichte

Glenn T. Seaborg

60-Inch-Cyclotron

Americium wurde im Spätherbst 1944 von Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, Leon O. Morgan und Albert Ghiorso im 60-Inch-Cyclotron an der Universität von Californien in Berkeley sowie am metallurgischen Laboratorium der Universität von Chicago erzeugt (heute: Argonne National Laboratory). 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 Analogie zu Europium gewählt, dem Selten-Erd-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.^[5]^[6]

Die Probenvorbereitung erfolgte zunächst durch Auftragen von Plutoniumnitratlösung (mit dem Isotop ²³⁹Pu) auf eine Platinfolie von etwa 0,5 cm²; die Lösung wurde eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid (PuO₂) geglüht. Nach dem Beschuss im Cyclotron wurde die Beschichtung mittels Salpetersäure gelöst, anschließend wieder mit wässrigem Ammoniak als Hydroxid ausgefällt und der Rückstand 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.

Das erste Isotop, das ²⁴¹Am, isolierten sie 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^[3].

$\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{240}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [14,35 \ a]{\beta^-} \ ^{241}_{\ 95}Am\ (\ \xrightarrow [432,2 \ a]{\alpha} \ ^{237}_{\ 93}Np)}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Das zweite Isotop, das ²⁴²Am, wurde 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 zuerst auf 17 Stunden bestimmt, der heute als gültig ermittelte Wert beträgt 16,02 h^[3].

$\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am\ (\ \xrightarrow [16,02 \ h]{\beta^-} \ ^{242}_{\ 96}Cm)}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

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.^[7]

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.^[8]

In elementarer Form wurde es erstmals im Jahr 1951 durch Reduktion von Americium(III)-fluorid mit Barium dargestellt.^[9]

[Bearbeiten] 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.^[3]

²⁴¹Am ist das am häufigsten erbrütete Americiumisotop und liegt auf der Neptunium-Reihe. Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 432,2 Jahren^[3] 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.^[10]

²⁴²Am ist kurzlebig und zerfällt mit einer Halbwertszeit von 16,02 h^[3] zu 82,7 % durch β-Zerfall zu Curium ²⁴²Cm und zu 17,3 % durch Elektroneneinfang zu Plutonium ²⁴²Pu. Das ²⁴²Cm zerfällt zu Plutonium ²³⁸Pu und dieses weiter zu Uran 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^[3] zu 99,541 % durch Innere Konversion zu Americium ²⁴²Am und zu 0,459 % durch α-Zerfall zu Neptunium ²³⁸Np. Dieses zerfällt zu Plutonium ²³⁸Pu und dann weiter zu Uran ²³⁴U, das auf der Uran-Radium-Reihe liegt.

²⁴³Am ist mit einer Halbwertszeit von 7370 Jahren^[3] das langlebigste Americiumisotop. Es geht zunächst durch α-Strahlung in Neptunium ²³⁹Np über, das durch β-Zerfall weiter zu ²³⁹Pu zerfällt. Damit steht es in Verlängerung der Uran-Actinium-Reihe.

Die Americiumisotope mit ungerader Neutronenzahl, also gerader Massenzahl, sind gut durch thermische Neutronen spaltbar.

→ Liste der Americiumisotope

[Bearbeiten] 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 Plutonium ²⁴¹Pu. Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g verschiedener Americiumisotope.^[11] Es handelt sich dabei hauptsächlich um die α-Strahler ²⁴¹Am und ²⁴³Am, die auf Grund 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.^[12]^[13]

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

[Bearbeiten] Gewinnung von Americiumisotopen

Americium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute lediglich 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 1.500 US-Dollar pro Gramm liegen.^[14] Das Americiumisotop ²⁴³Am entsteht in geringeren Mengen im Reaktor als ²⁴¹Am und ist deshalb mit 160 US-Dollar pro Milligramm ²⁴³Am^[15] 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.

$\mathrm{^{238}_{\ 92}U\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{239}_{\ 92}U\ \xrightarrow [23,5 \ min]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 93}Np\ \xrightarrow [2,3565 \ d]{\beta^-} \ ^{239}_{\ 94}Pu}$

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.

$\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {2(n,\gamma)} \ ^{241}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [14,35 \ a]{\beta^-} \ ^{241}_{\ 95}Am}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Das Plutonium, welches aus abgebrannten Brennstäben von Leistungsreaktoren gewonnen werden kann, besteht zu etwa 12 % aus dem Isotop ²⁴¹Pu.^[14] 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.^[16]

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:^[17]

zu 79 %: $\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242}_{\ 95}Am}$

zu 10 %: $\mathrm{^{241}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{242m}_{\ \ \ 95}Am}$

Für die Erbrütung von ²⁴³Am ist zunächst ein vierfacher Neutroneneinfang des ²³⁹Pu erforderlich:

$\mathrm{^{239}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow {4(n,\gamma)} \ ^{243}_{\ 94}Pu\ \xrightarrow [4,956 \ h]{\beta^-} \ ^{243}_{\ 95}Am}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

[Bearbeiten] 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.^[9]^[18]

$\mathrm{2\ AmF_3\ +\ 3\ Ba\ \longrightarrow \ 2\ Am\ +\ 3\ BaF_2}$

Auch die Reduktion von Americium(IV)-oxid mittels Lanthan oder Thorium ergibt metallisches Americium.^[19]

$\mathrm{3\ AmO_2\ +\ 4\ La\ \longrightarrow \ 3\ Am\ +\ 2\ La_2O_3}$

[Bearbeiten] Eigenschaften

Das dunkle Dreieck in der Glasampulle beinhaltet das erstmals synthetisierte Americium (hergestellt im 60-Inch-Cyclotron im Jahr 1944).

Doppelt-hexagonal dichteste Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC in der Kristallstruktur von α-Am (A: grün; B: blau; C: rot).

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Americium ist ein künstliches, radioaktives Element. Frisch hergestelltes Americium ist ein silberweißes Metall, welches jedoch bei Raumtemperatur langsam matt wird. Es ist leicht verformbar. Sein Schmelzpunkt beträgt 1176 °C^[19], der Siedepunkt liegt bei 2607 °C. Sein Dichte beträgt 13,67 g/cm⁻³^[19]^[20]. Es tritt in zwei Modifikationen auf.

Von Americium existiert bei Standardbedingungen mit α-Am nur eine bekannte Modifikation. Diese kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der Raumgruppe $P6_3/mmc\,$ 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.^[20]^[18]

Bei hohem Druck geht α-Am in β-Am über. Die β-Modifikation kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe $Fm\bar3m$ mit dem Gitterparameter a = 489 pm^[20]^[18], was einem kubisch flächenzentrierten Gitter (f.c.c.) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht.

Die Messung der Lösungsenthalpie von Americium-Metall (d.h.c.p.) in 1 M Salzsäure (bei 298,15 ± 0,05 K) lieferte einen Wert von −620,6 ± 1,3 kJ·mol⁻¹. Ausgehend von diesem Wert wurde die Standardbildungsenthalpie (ΔH_f⁰) von Am³⁺(aq) abgeleitet auf −621,2 ± 2,0 kJ·mol⁻¹. Mit diesen Ergebnissen wurde das Standardpotential Am³⁺ / Am⁰ erstmals auf −2,08 ± 0,01 V berechnet.^[21]

[Bearbeiten] 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), Am^VO₂⁺ (gelb), Am^VIO₂²⁺ (zitronengelb), Am^VIIO₆⁵⁻ (dunkelgrün). Verbindungen mit Americium ab Oxidationszahl +4 aufwärts sind starke Oxidationsmittel, vergleichbar dem Permanganat-Ion (MnO₄⁻) in saurer Lösung.^[22]

Im Gegensatz zum homologen Europium – Americium hat eine zu Europium analoge Elektronenkonfiguration – kann Am³⁺ in wässriger Lösung nicht zu Am²⁺ reduziert werden.

Die in wässriger Lösung nicht beständigen Am(IV)-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.^[23] In wässriger Lösung liegen primär AmO₂⁺-Ionen (sauer) oder AmO₃⁻-Ionen (alkalisch) vor, die jedoch instabil sind und einer raschen Disproportionierung unterliegen:^[24]^[25]

$\mathrm{3\ AmO_2^+\ +\ 4\ H^+\ \longrightarrow \ 2\ AmO_2^{2+}\ +\ Am^{3+}\ +\ 2\ H_2O}$

Zunächst ist von einer Disproportionierung zur Oxidationsstufe +6 und +4 auszugehen:

$\mathrm{2\ Am (V)\ \longrightarrow \ Am (VI)\ +\ Am (IV)}$

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.^[26] Zudem kann die Oxidation mit Silber(I)-oxid in Perchlorsäure quantitativ erreicht werden.^[27] In Natriumcarbonat- oder Natriumhydrogencarbonat-Lösungen ist eine Oxidation mit Ozon oder Natriumperoxodisulfat gleichfalls möglich.^[28]

[Bearbeiten] Biologische Aspekte

Americium besitzt keine biologische Bedeutung.^[29] Zellen der Citrobacter sp., die an ihrer Oberfläche eine Phosphataseaktivität aufweisen, können Americium in Form von Phosphatkomplexen binden.^[30] Ferner wurden die Faktoren untersucht, die die Biosorption und Bioakkumulation des Americiums durch Bakterien^[31]^[32] und Pilze^[33] beeinflussen.

[Bearbeiten] 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. Für die Kerntechnik ist als einziges Americiumisotop mit hohem Spaltquerschnitt und geeigneter Halbwertszeit insbesondere ^242m1Am von Interesse.

[Bearbeiten] Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie

Mit seiner intensiven Gammastrahlungs-Spektrallinie bei 60 keV eignet sich ²⁴¹Am gut als Strahlenquelle für die Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie.

[Bearbeiten] Kalibrierquelle

Die 60 keV-Linie des ²⁴¹Am 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.^[34]

[Bearbeiten] Ionisationsrauchmelder

Rauchmelder

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.

[Bearbeiten] Radionuklidbatterien

²⁴¹Am wurde wegen seiner gegenüber Plutonium ²³⁸Pu wesentlich längeren Halbwertszeit zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) von Raumsonden vorgeschlagen. Dank seiner Halbwertszeit von 432,2 Jahren könnte ein RTG mit ²⁴¹Am-Füllung hunderte Jahre lang – anstatt nur einige Jahrzehnte (wie mit einer ²³⁸Pu-Füllung) – elektrische Energie zum Betrieb einer Raumsonde bereitstellen.^[35]

[Bearbeiten] Neutronenquellen

²⁴¹Am als Oxid mit Beryllium verpresst stellt eine Neutronenquelle dar, die beispielsweise für radiochemische Untersuchungen eingesetzt wird.^[2] 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:

$\mathrm{^{241\!\,}_{\ 95}Am\ \longrightarrow \ ^{237}_{\ 93}Np\ +\ ^{4}_{2}He\ +\ \gamma}$

$\mathrm{^{9}_{4}Be\ +\ ^{4}_{2}He\ \longrightarrow \ ^{12}_{\ 6}C\ +\ ^{1}_{0}n\ +\ \gamma}$

Derartige Neutronenquellen kommen beispielsweise in der Neutronenradiographie und -tomographie zum Einsatz.

Weiterhin kann Americium auch als Neutronenquelle in Form eines Kernbrennstoffs in Reaktoren eingesetzt werden (s. dazu der folgende Abschnitt "Spaltmaterial").

[Bearbeiten] Spaltmaterial

Das Isotop ^242m1Am hat mit rund 5700 barn den höchsten bisher (10/2008) gemessenen thermischen Spaltquerschnitt.^[36] Damit geht eine sehr kleine kritische Masse einher, weswegen ^242m1Am als Spaltmaterial vorgeschlagen wurde, um beispielsweise Raumschiffe mit Kernenergieantrieb anzutreiben.^[37]

Dieses Isotop eignet sich prinzipiell auch zum Bau von Kernwaffen. Die kritische Masse einer reinen ^242m1Am-Kugel beträgt etwa 9–14 kg (Unsicherheiten der verfügbaren Wirkungsquerschnitte lassen derzeit keine genauere Aussage zu). Mit Reflektor beträgt die kritische Masse noch etwa 3–5 kg.^[38] 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 den selben Gründen wird ^242m1Am auch nicht als Kernbrennstoff in Kernreaktoren eingesetzt, obwohl es dazu prinzipiell geeignet wäre.^[39] Entsprechend ist Americium rechtlich nach Atomgesetz auch nicht den Kernbrennstoffen zugeordnet.^[40] 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.^[41]

[Bearbeiten] 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 zu Curium ²⁴⁴Cm zerfällt.

$\mathrm{^{243}_{\ 95}Am\ \xrightarrow {(n,\gamma)} \ ^{244}_{\ 95}Am\ \xrightarrow [10,1 \ h]{\beta^-} \ ^{244}_{\ 96}Cm}$

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

In Teilchenbeschleunigern führt zum Beispiel der Beschuss von ²⁴¹Am mit Kohlenstoff- (¹²C) beziehungsweise Neonkernen (²²Ne) zu den Elementen Einsteinium ²⁴⁷Es beziehungsweise Dubnium ²⁶⁰Db.^[2]

[Bearbeiten] Sicherheitshinweise und Gefahren

²⁴¹Am gibt beim radioaktiven Zerfall große Mengen relativ weicher Gammastrahlung ab, die sich gut abschirmen lässt. Größere Mengen können deshalb nicht mehr von Hand bearbeitet werden.^[35]^[42]^[43]

Nach Untersuchungen des Forschers Arnulf Seidel vom Institut für Strahlenbiologie des Kernforschungszentrum Karlsruhe erzeugt Americium (wie Plutonium), bei Aufnahme in den Körper, mehr Knochentumore als die selbe Dosis Radium.^[44]

[Bearbeiten] Verbindungen

→ Kategorie:Americiumverbindung

[Bearbeiten] 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.^[45]

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; der Strukturtyp ist der CaF₂-Typ (Fluorit) mit der Raumgruppe $Fm \bar3 m$ und den Koordinationszahlen Am[8], O[4].

[Bearbeiten] Halogenide

Halogenide sind für die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 bekannt.^[46] Die stabilste Stufe +3 ist für sämtliche Verbindungen von Fluor bis Iod bekannt und in wässriger Lösung stabil.^[47]

Oxidationszahl	F	Cl	Br	I
+4	Americium(IV)-fluorid AmF₄ schwach rosa
+3	Americium(III)-fluorid AmF₃ rosa	Americium(III)-chlorid AmCl₃ rosa	Americium(III)-bromid AmBr₃ hellgelb	Americium(III)-iodid AmI₃ hellgelb
+2		Americium(II)-chlorid AmCl₂ schwarz	Americium(II)-bromid AmBr₂ schwarz	Americium(II)-iodid AmI₂ schwarz

Americium(III)-fluorid (AmF₃) ist schwerlöslich und kann durch die Umsetzung einer wässrigen Americiumlösung mit Fluoridsalzen im schwach Sauren durch Fällung hergestellt werden:

$\mathrm{Am^{3+}\ _{(aq)} +\ 3\ F^-\ _{(aq)} \longrightarrow \ AmF_3\ _{(s)} \downarrow}$

Das tetravalente Americium(IV)-fluorid (AmF₄) ist durch die Umsetzung von Americium(III)-fluorid mit molekularem Fluor zugänglich:^[48]

$\mathrm{2\ AmF_3\ +\ F_2\ \longrightarrow\ 2\ AmF_4}$

In der wässrigen Phase wurde das vierwertige Americium auch beobachtet.^[49]

Americium(III)-chlorid (AmCl₃) bildet rosafarbene hexagonale Kristalle. Seine Kristallstruktur ist isotyp mit Uran(III)-chlorid. Der Schmelzpunkt der Verbindung liegt bei 715 °C.^[46] Das Hexahydrat (AmCl₃·6 H₂O) weist eine monokline Kristallstruktur auf.^[50]

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. Die Gitterkonstanten für das orthorhombische AmCl₂ sind: a = 896,3 ± 0,8 pm, b = 757,3 ± 0,8 pm und c = 453,2 ± 0,6 pm. Die Gitterkonstanten für das tetragonale AmBr₂ sind: a = 1159,2 ± 0,4 und c = 712,1 ± 0,3 pm.^[51]

[Bearbeiten] Chalcogenide und Pentelide

Von den Chalcogeniden sind bekannt: das Sulfid (AmS₂)^[52], zwei Selenide (AmSe₂ und Am₃Se₄)^[52]^[53] und zwei Telluride (Am₂Te₃ und AmTe₂)^[54].

Die Pentelide des Americiums (²⁴³Am) des Typs AmX sind für die Elemente Phosphor, Arsen^[55], Antimon und Bismut dargestellt worden. Sie kristallisieren im NaCl-Gitter.^[53]

[Bearbeiten] Silicide und Boride

Americiummonosilicid (AmSi) und Americium“disilicid” (AmSi_x 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 (AmSi_x) dargestellt. AmSi ist eine schwarze Masse, isomorph mit LaSi. AmSi_x ist eine hellsilbrige Verbindung mit einem tetragonalen Kristallgitter.^[56]

Boride der Zusammensetzungen AmB₄ und AmB₆ wurden im Jahr 1969 dargestellt.^[57]

[Bearbeiten] Metallorganische Verbindungen

Analog zu Uranocen, einer

Americium

All you want to know about Americium

Inhaltsverzeichnis

[Bearbeiten] Entdeckungsgeschichte

[Bearbeiten] Isotope

[Bearbeiten] Vorkommen

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

[Bearbeiten] Gewinnung von Americiumisotopen

[Bearbeiten] Darstellung elementaren Americiums

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

[Bearbeiten] Biologische Aspekte

[Bearbeiten] Verwendung

[Bearbeiten] Röntgen-Fluoreszenzspektroskopie

[Bearbeiten] Kalibrierquelle

[Bearbeiten] Ionisationsrauchmelder

[Bearbeiten] Radionuklidbatterien

[Bearbeiten] Neutronenquellen

[Bearbeiten] Spaltmaterial

[Bearbeiten] Herstellung anderer Elemente

[Bearbeiten] Sicherheitshinweise und Gefahren

[Bearbeiten] Verbindungen

[Bearbeiten] Oxide

[Bearbeiten] Halogenide

[Bearbeiten] Chalcogenide und Pentelide

[Bearbeiten] Silicide und Boride

[Bearbeiten] Metallorganische Verbindungen