Americium: Element-Eigenschaften und Verwendungen

Beschreibung

Americium ist ein synthetisches radioaktives Element, das wegen seiner einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften geschätzt wird. Obwohl es in der Natur nicht in nennenswerten Mengen vorkommt, hat dieses künstlich hergestellte Aktinid einen überraschenden Nutzen in der wissenschaftlichen Forschung, der industriellen Diagnostik und sogar in einigen haushaltsüblichen Sicherheitsgeräten gefunden.

Einführung in das Element

Americium wurde erstmals in den 1940er Jahren im Rahmen der Pionierforschung in der Kernchemie synthetisiert. Es wurde an der University of California, Berkeley, durch Neutronenbeschuss von Plutonium hergestellt - eine ehrgeizige wissenschaftliche Leistung, die zeigte, dass die Menschheit nicht nur in der Lage war, das Periodensystem zu erforschen, sondern es auch zu erweitern. Das Element wurde nach dem amerikanischen Kontinent benannt, ähnlich wie sein Nachbar im Periodensystem, das Europium, nach Europa benannt wurde.

Als eines der ersten synthetischen Aktinide wurde Americium zu einem wertvollen Instrument für die Erforschung der radioaktiven Zerfallswege, der Transuranchemie und der Neutroneneinfangprozesse. Seine Herstellung markierte einen Wendepunkt in der Nuklearwissenschaft, denn es zeigte, dass völlig neue Elemente unter kontrollierten Bedingungen hergestellt und auf ihr einzigartiges Verhalten hin untersucht werden können. Obwohl Americium in der Natur nicht sehr häufig vorkommt, hat dieses Radioelement auch nach seiner Entdeckung vor mehr als sieben Jahrzehnten eine breitere Anwendung in Forschung und Technologie gefunden.

Chemische Eigenschaften

Die Elektronenkonfiguration und die Position von Americium in der Actinidenreihe bestimmen sein chemisches Verhalten. Es liegt überwiegend in der Oxidationsstufe +3 vor, wie auch die meisten seiner benachbarten Actiniden. In diesem Zustand bildet Americium eine Vielzahl von Verbindungen - darunter Oxide, Chloride, Fluoride und Nitrate -, die unter kontrollierten Laborbedingungen stabil sind.

Höhere Oxidationsstufen, insbesondere +4 und gelegentlich +6, können bei Americium mit starken Oxidationsmitteln erreicht werden. Diese höheren Zustände bieten den Forschern einzigartige Möglichkeiten, die komplexe Redoxchemie zu studieren und zu bewerten, wie sich das Elektronenverhalten verschiebt, wenn die Elemente schwerer werden.

Americium bildet auch stabile Komplexe mit organischen Liganden, eine Eigenschaft, die es ermöglicht, das Element in der Trennungschemie und der Aufbereitung radioaktiver Abfälle sowie in Analysemethoden zur Isolierung bestimmter Aktinide aus Brennstoffgemischen zu verwenden. Die Studien zeigen, dass die Reaktivität von Americium gegenüber Säuren und Basen einen entscheidenden Einfluss auf die Gestaltung von Reinigungsverfahren und Strategien zur Langzeitlagerung in der Kerntechnik hat.

Physikalische Eigenschaften

Die physikalischen Eigenschaften von Americium haben einen großen Einfluss auf die Art und Weise, wie es in der Praxis gehandhabt und eingesetzt wird. Als Schwermetall ist es dicht, metallisch und bei Raumtemperatur strukturell stabil. Da es jedoch sowohl Alphateilchen als auch Gammastrahlung emittiert, ist bei der Handhabung eine strenge Abschirmung und eine ferngesteuerte Manipulation erforderlich.

Weitere Einzelheiten finden Sie unter Stanford Advanced Materials (SAM).

Das auffälligste physikalische Merkmal von Americium ist seine lang anhaltende Radioaktivität. Americium-241, das am häufigsten verwendete Isotop, hat eine Halbwertszeit von etwa 432 Jahren und ist eine hervorragende und stabile Quelle für Alphastrahlung. Die Stabilität ist einer der Gründe dafür, dass Americium in Verbrauchergeräten eingesetzt wird.

Häufige Verwendungen

Trotz seiner hohen Radioaktivität wird Americium in Millionen von Haushalten auf der ganzen Welt praktisch eingesetzt.

1. Ionisations-Rauchdetektoren

Die häufigste Anwendung von Americium ist der Einsatz in Rauchmeldern, in denen Americium-241 als konstante Quelle von Alphateilchen dient. Diese Teilchen ionisieren die Luft im Detektor; wenn Rauch in die Kammer eindringt, wird die Ionisierung unterbrochen, was einen Alarm auslöst.

Diese Technologie wird seit Jahrzehnten in Privathaushalten und öffentlichen Gebäuden eingesetzt, so dass Americium eines der wenigen synthetischen radioaktiven Elemente mit einer direkten Verbraucherfunktion ist, die Leben retten kann.

2. Protokollierung von Ölbohrungen

Americium wird in der Energiewirtschaft eingesetzt, wo die von ihm ausgehende Gammastrahlung bei der Bohrlochmessung zur Bestimmung der Dichte und Zusammensetzung der unterirdischen Gesteinsschichten verwendet wird. Das Wissen darüber, wie verschiedene Strahlungsarten mit geologischen Schichten interagieren, ermöglicht eine bessere Bewertung möglicher Öl- und Gasvorkommen.

3. Neutronenquellen

Es ist möglich, Amerizium mit Beryllium zu kombinieren, um kleine, tragbare Neutronenquellen zu bilden. Solche Geräte finden Verwendung in der wissenschaftlichen Forschung, bei der Kalibrierung von Instrumenten und bei bestimmten industriellen Inspektionstechniken.

4. Spezialisierte Forschung

Da Americium genau an einer Schlüsselstelle in der Aktinidenreihe liegt, ist es besonders wichtig für das Verständnis der Prozesse des radioaktiven Zerfalls, der Neutronenwechselwirkungen und der Synthese noch schwererer Transuranelemente.

Methoden der Herstellung

Das Verfahren zur Herstellung von Americium ist recht kompliziert und umfasst mehrere aufeinanderfolgende Schritte in Kernreaktoren. Die am weitesten verbreitete Methode besteht in der Beschießung von Plutonium mit Neutronen. Wenn Plutonium-239 Neutronen einfängt, verwandelt es sich in Plutonium-240, und bei weiterem Beschuss verwandelt es sich schließlich durch radioaktiven Zerfall in Curium- und dann in Americiumisotope.

Nach der Bestrahlung wird das Americium von Fachleuten mit verschiedenen Methoden aus dem abgebrannten Reaktorbrennstoff extrahiert, z. B:

- Lösungsmittelextraktion

Ionenaustauschchromatographie

- Auf Oxidationszuständen basierende Trennverfahren

Diese Verfahren erfordern stark abgeschirmte heiße Zellen, ferngesteuerte Handhabungsgeräte und strenge Sicherheitsprotokolle, da es sich um hochradioaktive und chemisch reaktive Materialien handelt.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Americium?

Americium ist ein synthetisches radioaktives Element, das in Rauchdetektoren, Neutronenquellen und anderen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen eingesetzt wird.

Wie wird Americium hergestellt?

Es wird durch die Neutronenbestrahlung von Plutonium in Kernreaktoren hergestellt und anschließend chemisch abgetrennt.

Warum wird Americium in Rauchmeldern verwendet?

Americium-241 liefert eine konstante Quelle von Alphastrahlung, die die Luft ionisieren kann.

Ist Americium gefährlich?

Ja, Americium ist radioaktiv, aber die Risiken sind erheblich geringer, wenn es ordnungsgemäß versiegelt oder in kontrollierten Umgebungen gehandhabt wird.

Kommt Amerizium in der Natur vor?

Es kommt in der Natur nur in Spuren vor; alles nutzbare Americium wird synthetisch hergestellt.