Kalifornium - Californium

Californium,  98 Cf
Eine sehr kleine Scheibe aus silbrigem Metall, vergrößert, um ihre metallische Textur zu zeigen
Kalifornien
Aussprache / ˌ k æ l ɪ f ɔːr n i ə m / ( KAL -if- OR -nee-əm )
Aussehen silbrig
Massenzahl [251]
Californium im Periodensystem
Wasserstoff Helium
Lithium Beryllium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon
Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon
Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton
Rubidium Strontium Yttrium Zirkonium Niob Molybdän Technetium Ruthenium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon
Cäsium Barium Lanthan Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europa Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold Quecksilber (Element) Thallium Das Blei Wismut Polonium Astatin Radon
Francium Radium Aktinium Thorium Protactinium Uran Neptunium Plutonium Amerika Kurium Berkelium Kalifornien Einsteinium Fermium Mendelevium Nobelium Lawrencium Rutherfordium Dubnium Seaborgium Bohrium Hassium Meitnerium Darmstadtium Röntgenium Copernicium Nihonium Flerovium Moskau Lebermorium Tennessine Oganesson
Dy

Vgl.

(Upb)
BerkeliumCaliforniumEinsteinium
Ordnungszahl ( Z ) 98
Gruppe Gruppe k.A
Zeitraum Zeitraum 7
Block   f-block
Elektronenkonfiguration [ Rn ] 5f 10 7s 2
Elektronen pro Schale 2, 8, 18, 32, 28, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei  STP fest
Schmelzpunkt 1173  K ​(900 °C, ​1652 °F)
Siedepunkt 1743 K ​(1470 °C, ​2678 °F) (Schätzung)
Dichte (nahe  rt ) 15,1 g / cm 3
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen +2, +3 , +4, +5
Elektronegativität Pauling-Skala: 1,3
Ionisierungsenergien
Farblinien in einem Spektralbereich
Spektrallinien von Californium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen Synthetik
Kristallstruktur Doppel hexagonal dicht gepackten (dhcp)
Doppelhexagonal dicht gepackte Kristallstruktur für Californium
Mohs-Härte 3-4
CAS-Nummer 7440-71-3
Geschichte
Benennung nach Kalifornien , wo es entdeckt wurde
Entdeckung Lawrence Berkeley National Laboratory (1950)
Haupt Isotope von Californium
Isotop Fülle Halbwertszeit ( t 1/2 ) Decay-Modus Produkt
248 Cf syn 333,5 d α (100%) 244 cm²
SF  (2,9×10 −3 %)
249 Cf syn 351 Jahre α (100%) 245 cm²
SF (5,0×10 −7 %)
250 Cf syn 13.08 Jahre (99,92%) 246 cm²
SF (0,08%)
251 Cf syn 898 Jahre α 247 cm²
252 Cf syn 2.645 Jahre (96,91 %) 248 cm²
SF (3,09 %)
253 Cf syn 17,81 Tage β (99,69 %) 253 Es
α (0,31 %) 249 cm²
254 Cf syn 60,5 d SF (99,69 %)
α (0,31 %) 250 cm
Kategorie Kategorie: Californium
| Verweise

Californium ist ein radioaktives chemisches Element mit dem Symbol Cf und der Ordnungszahl 98. Das Element wurde erstmals 1950 am Lawrence Berkeley National Laboratory (damals University of California Radiation Laboratory) synthetisiert , indem Curium mit Alphateilchen ( Helium-4- Ionen ) beschossen wurde. . Es ist ein Aktinidenelement , das sechste zu synthetisierende Transuranelement , und hat die zweithöchste Atommasse aller Elemente, die in Mengen produziert wurden, die groß genug sind, um mit bloßem Auge zu sehen (nach Einsteinium ). Das Element wurde nach der Universität und dem genannten US - Bundesstaat von Kalifornien .

Für Californium gibt es unter Normaldruck zwei kristalline Formen : eine über und eine unter 900 °C (1.650 °F). Eine dritte Form existiert bei hohem Druck. Californium läuft bei Raumtemperatur langsam an der Luft an. Californiumverbindungen werden von der Oxidationsstufe +3 dominiert . Das stabilste der zwanzig bekannten Isotope von Californium ist Californium-251, das eine Halbwertszeit von 898 Jahren hat. Diese kurze Halbwertszeit bedeutet, dass das Element in der Erdkruste nicht in nennenswerten Mengen vorkommt. Californium-252 ist mit einer Halbwertszeit von etwa 2,645 Jahren das am häufigsten verwendete Isotop und wird im Oak Ridge National Laboratory in den USA und am Research Institute of Atomic Reactors in Russland hergestellt.

Californium ist eines der wenigen Transuran-Elemente, die praktische Anwendungen haben. Die meisten dieser Anwendungen nutzen die Eigenschaft bestimmter Isotope von Californium , Neutronen zu emittieren . Californium kann beispielsweise zum Starten von Kernreaktoren verwendet werden und wird als Neutronenquelle bei der Untersuchung von Materialien mit Neutronenbeugung und Neutronenspektroskopie verwendet . Californium kann auch in der Kernsynthese von Elementen höherer Masse verwendet werden; Oganesson (Element 118) wurde durch Beschuss von Californium-249-Atomen mit Calcium-48- Ionen synthetisiert . Benutzer von Californium müssen radiologische Bedenken und die Fähigkeit des Elements berücksichtigen, die Bildung von roten Blutkörperchen durch Bioakkumulation im Skelettgewebe zu stören .

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Californium ist ein silbrig-weißes Aktinidenmetall mit einem Schmelzpunkt von 900 ± 30 °C (1.650 ± 50 °F) und einem geschätzten Siedepunkt von 1.745 K (1.470 °C; 2.680 °F). Das reine Metall ist formbar und lässt sich leicht mit einer Rasierklinge schneiden. Californiummetall beginnt oberhalb von 300 °C (570 °F) zu verdampfen, wenn es einem Vakuum ausgesetzt wird. Unterhalb von 51 K (–222 °C; –368 °F) ist Californiummetall entweder ferromagnetisch oder ferrimagnetisch (es wirkt wie ein Magnet), zwischen 48 und 66 K ist es antiferromagnetisch (ein Zwischenzustand) und über 160 K (–113 .) °C; −172 °F) ist es paramagnetisch (externe Magnetfelder können es magnetisch machen). Es bildet Legierungen mit Lanthanoidmetallen, aber über die resultierenden Materialien ist wenig bekannt.

Das Element hat bei normalem atmosphärischem Druck zwei kristalline Formen : eine doppel- hexagonal dicht gepackte Form, die als Alpha (α) bezeichnet wird, und eine kubisch-flächenzentrierte Form, die als Beta (β) bezeichnet wird. Die α-Form existiert unterhalb von 600–800 °C mit einer Dichte von 15,10 g/cm 3 und die β-Form existiert oberhalb von 600–800 °C mit einer Dichte von 8,74 g/cm 3 . Bei einem Druck von 48  GPa ändert sich die β-Form aufgrund der Delokalisierung der 5f-Elektronen des Atoms in ein orthorhombisches Kristallsystem , wodurch sie zur Bindung freigesetzt werden.

Der Schüttmodul eines Materials ist ein Maß für seine Beständigkeit gegen gleichmäßigen Druck. Der Volumenmodul von Californium ist50 ± 5 GPa , ähnlich dreiwertigen Lanthanoidenmetallen, aber kleiner als bekanntere Metalle wie Aluminium (70 GPa).

Chemische Eigenschaften und Verbindungen

Repräsentative Californiumverbindungen
Zustand Verbindung Formel Farbe
+2 Californium(II)-bromid CfBr 2 Gelb
+2 Californium(II)-iodid CfI 2 dunkelviolett
+3 Californium(III)-oxid Vgl. 2 O 3 Gelbgrün
+3 Californium(III)-fluorid Vgl. 3 hellgrün
+3 Californium(III)-chlorid CfCl 3 Smaragdgrün
+3 Californium(III)-bromid CfBr 3 gelblich-grün
+3 Californium(III)-iodid CfI 3 Zitronengelb
+3 Californium(III)-polyborat Vgl. [B 6 O 8 (OH) 5 ] blasses Grün
+4 Californium(IV)-oxid CfO 2 Schwarz Braun
+4 Californium(IV)fluorid Vgl. 4 Grün

Californium weist Oxidationsstufen von 4, 3 oder 2 auf. Es bildet typischerweise acht oder neun Bindungen zu umgebenden Atomen oder Ionen. Es wird vorhergesagt, dass seine chemischen Eigenschaften denen anderer hauptsächlich 3+ Valenz-Actinide-Elemente und dem Element Dysprosium ähnlich sind , das im Periodensystem das Lanthanoid über Californium ist. Verbindungen im Oxidationszustand +4 sind starke Oxidationsmittel und Verbindungen im Zustand +2 sind starke Reduktionsmittel .

Das Element trübt an der Luft bei Raumtemperatur langsam an, wobei die Geschwindigkeit bei Zugabe von Feuchtigkeit zunimmt. Californium reagiert beim Erhitzen mit Wasserstoff , Stickstoff oder einem Chalkogen (Element der Sauerstofffamilie); Reaktionen mit trockenem Wasserstoff und wässrigen Mineralsäuren sind schnell.

Californium ist nur als Californium(III) -Kation wasserlöslich . Versuche, das +3-Ion in Lösung zu reduzieren oder zu oxidieren, sind fehlgeschlagen. Das Element bildet ein wasserlösliches Chlorid , Nitrat , Perchlorat und Sulfat und wird als Fluorid , Oxalat oder Hydroxid ausgefällt . Californium ist das schwerste Aktinid, das kovalente Eigenschaften aufweist, wie es beim Californiumborat beobachtet wird.

Isotope

Zwanzig Radioisotope von Californium wurden charakterisiert, die stabilsten sind Californium-251 mit einer Halbwertszeit von 898 Jahren, Californium-249 mit einer Halbwertszeit von 351 Jahren, Californium-250 mit einer Halbwertszeit von 13,08 Jahren und Californium -252 mit einer Halbwertszeit von 2.645 Jahren. Alle übrigen Isotope haben Halbwertszeiten von weniger als einem Jahr, und die meisten von ihnen haben Halbwertszeiten von weniger als 20 Minuten. Die Isotope von Californium reichen in der Massenzahl von 237 bis 256.

Californium-249 wird aus dem Betazerfall von Berkelium-249 gebildet, und die meisten anderen Californium-Isotope werden hergestellt, indem Berkelium in einem Kernreaktor intensiver Neutronenstrahlung ausgesetzt wird . Obwohl Californium-251 die längste Halbwertszeit hat, ist seine Produktionsausbeute nur 10% aufgrund seiner Tendenz zu sammeln Neutronen (hohe Neutroneneinfang ) und seine Neigung zu interagieren mit anderen Partikeln (hohe Neutronenquerschnitt ).

Californium-252 ist ein sehr starker Neutronenstrahler , was ihn extrem radioaktiv und schädlich macht. Californium-252 durchläuft in 96,9% der Fälle einen Alpha-Zerfall , um Curium- 248 zu bilden, während die restlichen 3,1% der Zerfälle spontane Spaltungen sind . Ein Mikrogramm (μg) Californium-252 emittiert 2,3 Millionen Neutronen pro Sekunde, durchschnittlich 3,7 Neutronen pro spontaner Spaltung. Die meisten anderen Isotope des Californiums zerfallen über den Alpha-Zerfall in Isotope des Curiums ( Ordnungszahl 96).

Geschichte

Große Ausrüstungsgegenstände mit einem Mann, der in der Nähe steht.
Das Zyklotron mit einem Durchmesser von 60 Zoll (1,52 m) , mit dem zuerst Californium synthetisiert wurde

Californium wurde zum ersten Mal am oder um den 9. Februar 1950 von den Physikforschern Stanley G. Thompson , Kenneth Street, Jr. , Albert Ghiorso und Glenn T. Seaborg am Radiation Laboratory der University of California in Berkeley synthetisiert . Es war das sechste Transuran zu entdeckendes Element ; Das Team gab seine Entdeckung am 17. März 1950 bekannt.

Zur Herstellung von Californium, einem mikrogrammgroßen Target von Curium-242 (242
96
Cm
) wurde mit 35 MeV- alpha-Teilchen beschossen (4
2
Er
) im Zyklotron mit 60 Zoll Durchmesser (1,52 m) in Berkeley, das Californium-245 (245
98
Vgl
) plus ein freies Neutron (
n
).

242
96
Cm
+ 4
2
Er
245
98
Vgl
+ 1
0

n

Um das Element zu identifizieren und abzutrennen, wurden Ionenaustausch- und Adsorptionsverfahren durchgeführt. Bei diesem Experiment wurden nur etwa 5.000 Atome Californium produziert, und diese Atome hatten eine Halbwertszeit von 44 Minuten.

Die Entdecker benannten das neue Element nach der Universität und dem Staat. Dies war ein Bruch mit der Konvention für die Elemente 95 bis 97, die sich von der Benennung der Elemente direkt über ihnen im Periodensystem inspirieren ließ. Das Element direkt über dem Element 98 im Periodensystem, Dysprosium , hat jedoch einen Namen, der einfach "schwer zu erreichen" bedeutet, sodass die Forscher beschlossen, die informelle Namenskonvention beiseite zu legen. Sie fügten hinzu, dass "das Beste, was wir tun können, ist, darauf hinzuweisen, dass ... Sucher vor einem Jahrhundert es schwierig fanden, nach Kalifornien zu gelangen."

Durch die Bestrahlung von Plutonium-Targets im Materials Testing Reactor der National Reactor Testing Station im Osten von Idaho wurden zunächst wägbare Mengen Californium hergestellt ; und diese Ergebnisse wurden 1954 berichtet. Die hohe spontane Spaltungsrate von Californium-252 wurde in diesen Proben beobachtet. Das erste Experiment mit Californium in konzentrierter Form fand 1958 statt. Die Isotope Californium-249 bis Californium-252 wurden im selben Jahr aus einer Probe von Plutonium-239 isoliert, die fünf Jahre lang in einem Kernreaktor mit Neutronen bestrahlt worden war. Zwei Jahre später, im Jahr 1960, stellten Burris Cunningham und James Wallman vom Lawrence Radiation Laboratory der University of California die ersten Californiumverbindungen her – Californiumtrichlorid, Californiumoxychlorid und Californiumoxid – indem sie Californium mit Dampf und Salzsäure behandelten.

Der High Flux Isotope Reactor (HFIR) am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Oak Ridge, Tennessee , begann in den 1960er Jahren mit der Produktion kleiner Chargen von Californium. Bis 1995 produzierte das HFIR nominell 500 Milligramm (0,018 oz) Californium jährlich. Plutonium, das das Vereinigte Königreich im Rahmen des US-UK-Abkommens zur gegenseitigen Verteidigung von 1958 an die Vereinigten Staaten lieferte, wurde für die Kaliforniumproduktion verwendet.

Die Atomic Energy Commission verkaufte Anfang der 1970er Jahre Californium-252 für 10 US-Dollar pro Mikrogramm an industrielle und akademische Kunden, und zwischen 1970 und 1990 wurden durchschnittlich 150 mg (0,0053 oz) Californium-252 pro Jahr versandt 1974 von Haire und Baybarz, die Californium(III)-Oxid mit Lanthanmetall reduzierten, um Mikrogramm-Mengen von Submikrometer dicken Filmen zu erhalten.

Auftreten

Spuren von Californium finden sich in der Nähe von Einrichtungen, die das Element bei der Mineraliensuche und medizinischen Behandlungen verwenden. Das Element ist in Wasser ziemlich unlöslich, aber es haftet gut auf gewöhnlichem Boden; und seine Konzentrationen im Boden können 500-mal höher sein als im Wasser, das die Bodenpartikel umgibt.

Fallout aus atmosphärischen Atomtests vor 1980 trugen eine kleine Menge Californium in die Umwelt bei. Californium-Isotope mit den Massenzahlen 249, 252, 253 und 254 wurden im radioaktiven Staub beobachtet, der nach einer nuklearen Explosion aus der Luft gesammelt wurde. Californium ist kein bedeutendes Radionuklid an den Altstandorten des US-Energieministeriums , da es nicht in großen Mengen produziert wurde.

Es wurde angenommen, dass Californium in Supernovas produziert wird , da ihr Zerfall der 60-Tage-Halbwertszeit von 254 Cf entspricht. Spätere Studien konnten jedoch keine Californium-Spektren zeigen, und es wird angenommen, dass Supernova-Lichtkurven dem Zerfall von Nickel-56 folgen .

Die transuranischen Elemente von Americium bis Fermium , einschließlich Californium, kamen natürlich im natürlichen Kernspaltungsreaktor von Oklo vor , tun dies jedoch nicht mehr.

Produktion

Californium wird in Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern hergestellt . Californium-250 wird durch Beschuss von Berkelium-249 (249
97
Bk
) mit Neutronen, die Berkelium-250 (250
97
Bk
) über Neutroneneinfang (n,γ), der wiederum schnell Betazerfall ) zu Californium-250 (250
98
Vgl
) in der folgenden Reaktion:

249
97
Bk
(n,γ)250
97
Bk
250
98
Vgl
+ β

Beim Beschuss von Californium-250 mit Neutronen entstehen Californium-251 und Californium-252.

Längere Bestrahlung von Americium , Curium und Plutonium mit Neutronen produziert Milligramm-Mengen Californium-252 und Mikrogramm-Mengen Californium-249. Ab 2006 werden die Curiumisotope 244 bis 248 in speziellen Reaktoren mit Neutronen bestrahlt, um hauptsächlich Californium-252 mit geringeren Mengen an Isotopen 249 bis 255 herzustellen.

Californium-252 in Mikrogramm-Mengen ist für den kommerziellen Gebrauch durch die US Nuclear Regulatory Commission erhältlich . Nur zwei Standorte produzieren Californium-252: das Oak Ridge National Laboratory in den Vereinigten Staaten und das Forschungsinstitut für Atomreaktoren in Dimitrovgrad, Russland . Ab 2003 produzieren die beiden Standorte 0,25 Gramm bzw. 0,025 Gramm Californium-252 pro Jahr.

Es werden drei Californium-Isotope mit signifikanten Halbwertszeiten erzeugt, die insgesamt 15 Neutroneneinfänge durch Uran-238 erfordern, ohne dass dabei Kernspaltung oder Alpha-Zerfall auftreten. Californium-253 steht am Ende einer Produktionskette, die mit Uran-238 beginnt und mehrere Isotope von Plutonium , Americium , Curium , Berkelium und die Californium-Isotope 249 bis 253 umfasst (siehe Diagramm).

Ein komplexes Flussdiagramm mit verschiedenen Isotopen.
Schema der Herstellung von Californium-252 aus Uran-238 durch Neutronenbestrahlung

Anwendungen

Große konische Struktur auf einer Rolle mit einem Mann oben und zwei in der Nähe der Basis.
Ein 50-Tonnen-Transportbehälter, der im Oak Ridge National Laboratory gebaut wurde und bis zu 1 Gramm 252 Cf transportieren kann. Große und stark abgeschirmte Transportbehälter werden benötigt, um bei normalen und hypothetischen Unfällen die Freisetzung hochradioaktiver Stoffe zu verhindern.

Californium-252 hat eine Reihe von speziellen Anwendungen als starker Neutronenstrahler, und jedes Mikrogramm frisches Californium produziert 139 Millionen Neutronen pro Minute. Diese Eigenschaft macht Californium als Neutronenstartquelle für einige Kernreaktoren und als tragbare (nicht auf Reaktoren basierende) Neutronenquelle für die Neutronenaktivierungsanalyse zum Nachweis von Spurenelementen in Proben nützlich . Neutronen aus Californium werden zur Behandlung bestimmter Gebärmutterhals- und Hirntumore eingesetzt, bei denen andere Strahlentherapien wirkungslos sind. Es wird seit 1969 in Bildungsanwendungen eingesetzt, als das Georgia Institute of Technology ein Darlehen von 119 μg Californium-252 von der Savannah River Plant erhielt . Es wird auch mit Online-Elementar- Kohle-Analysatoren und Schüttgut-Analysatoren in der Kohle- und Zementindustrie verwendet.

Das Eindringen von Neutronen in Materialien macht Californium in Detektionsinstrumenten wie etwa Brennstabscannern nützlich ; Neutronenradiographie von Flugzeug- und Waffenkomponenten zur Erkennung von Korrosion , schlechten Schweißnähten, Rissen und eingeschlossener Feuchtigkeit; und in tragbaren Metalldetektoren. Neutronen-Feuchtemessgeräte verwenden Californium-252, um Wasser- und Erdölschichten in Ölquellen zu finden, als tragbare Neutronenquelle für Gold- und Silbersuche für die Vor-Ort-Analyse und um Grundwasserbewegungen zu erkennen. Die Hauptverwendungen von Californium-252 im Jahr 1982 waren, in der Reihenfolge der Verwendung, der Reaktorstart (48,3%), das Scannen von Brennstäben (25,3%) und die Aktivierungsanalyse (19,4%). Bis 1994 wurde das meiste Californium-252 in der Neutronenradiographie (77,4%) verwendet, wobei das Brennstabscannen (12,1%) und der Reaktorstart (6,9%) wichtige, aber weit entfernte Sekundäranwendungen waren.

Californium-251 hat eine sehr kleine berechnete kritische Masse von etwa 5 kg (11 lb), eine hohe Letalität und eine relativ kurze Zeit toxischer Umweltbestrahlung. Die niedrige kritische Masse von Californium führte zu einigen übertriebenen Behauptungen über mögliche Verwendungen des Elements.

Im Oktober 2006 gaben Forscher bekannt, dass am Joint Institute for Nuclear Research in Dubna , Russland , drei Atome von Oganesson (Element 118) als Produkt des Bombardements von Californium-249 mit Calcium-48 identifiziert wurden , was es zum schwersten Element aller Zeiten macht synthetisiert. Das Ziel für dieses Experiment enthielt etwa 10 mg von Californium-249 32 cm auf einer Titanfolie abgeschieden 2 Fläche. Californium wurde auch zur Herstellung anderer Transuranelemente verwendet; zum Beispiel wurde Element 103 (später Lawrencium genannt ) erstmals 1961 durch Beschuss von Californium mit Borkernen synthetisiert .

Vorsichtsmaßnahmen

Californium, das sich im Skelettgewebe bioakkumuliert, setzt Strahlung frei, die die Fähigkeit des Körpers zur Bildung roter Blutkörperchen stört . Aufgrund seiner intensiven Radioaktivität und geringen Konzentration in der Umwelt spielt das Element in keinem Organismus eine natürliche biologische Rolle.

Californium kann durch die Aufnahme von kontaminierten Lebensmitteln oder Getränken oder durch das Einatmen von Luft mit schwebenden Partikeln des Elements in den Körper gelangen. Einmal im Körper, erreichen nur 0,05% des Californiums den Blutkreislauf. Etwa 65 % dieses Californiums werden im Skelett, 25 % in der Leber und der Rest in anderen Organen abgelagert oder hauptsächlich im Urin ausgeschieden. Die Hälfte des im Skelett und in der Leber abgelagerten Californiums ist in 50 bzw. 20 Jahren verschwunden. Californium im Skelett haftet an Knochenoberflächen, bevor es langsam durch den Knochen wandert.

Das Element ist am gefährlichsten, wenn es in den Körper aufgenommen wird. Außerdem können Californium-249 und Californium-251 äußerlich durch Emission von Gammastrahlen Gewebeschäden verursachen . Ionisierende Strahlung, die von Californium auf Knochen und in die Leber emittiert wird, kann Krebs verursachen.

Anmerkungen

Verweise

Literaturverzeichnis

Externe Links

Medien im Zusammenhang mit Californium bei Wikimedia Commons