Radiochemie

Radiochemische Arbeiten im Handschuhkasten. Aufgrund der Radioaktivität des Materials ist es notwendig, die Arbeiter zu schützen. Credit: Idaho National Laboratory (INL) 2006

Die Radiochemie (englisch radiochemistry) ist ein Teilgebiet der Chemie. Sie hat radioaktive Stoffe zum Gegenstand und den Fokus auf chemischen und physikalisch-chemischen Methoden zur Analyse, Darstellung (Trennung) und Anwendung radioaktiver Nuklide. Der Fokus liegt dabei insbesondere auf der Chemie der Transurane und Actinoide und deren Isotope.

Die Kernchemie hingegen befasst sich mit den Kernbrennstoffen, ihren technischen Eigenschaften und ihrer Nutzung. Die Basis beider Wissenszweige ist stets das Wissen über die Radioaktivität und in Teilen auch der Kernphysik.

Einleitung

Radiochemie beschreibt chemische Reaktionen, bei denen radioaktive Atomkerne beteiligt sind, entweder ohne oder in Gegenwart eines stabilen Isotops desselben Elements. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Tracer-Chemie und meint die Arbeit mit Stoffen, die nur in ultrakleinen Mengen (Spuren) vorliegen. Die mikroskopischen Mengen der Substanzen werden mittels der Methoden und Instrumente der Mikrochemie quantitativ analysiert. Zudem werden die chemischen Effekte von nuklearen Teilchen und Strahlung auf Materie untersucht.

Die Wissenschaft der Radiochemie legte die Grundsteine für die Kernphysik, Kernchemie und Kerntechnik. Die radiochemischen Arbeitsweisen sind im Zuge der Entdeckung der Radioaktivität entstanden. Mittels radiochemischen Methoden und Verfahren wurde auch die Kernspaltung (siehe dort) nachgewiesen.

Die Radiochemie ist nicht mit der Radiologie zu verwechseln. Letztere befasst sich mit der Anwendung von Radioaktivität, Kernstrahlung und Kernphysik in der Medizin. Eine chronologische Übersicht der Ereignisse des Atomzeitalters findet sich dort.

Geschichte

Siehe auch: Entdeckung der Radioaktivität

Element 97, Berkelium, oben eine Mikrofotografie der ersten isolierten Massenprobe (1,7 μg). Der Klumpen hat einen Durchmesser von 100 μm. (c. 1971)

Die Untersuchung radioaktiver Elemente im Sinne der Radiochemie reicht an das Ende des 18. und in die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts zurück. Den „Startschuss“ gab Wilhelm Röntgen im Jahr 1895 mit seiner Entdeckung „einer neuen Art“ von Strahlen. Kurz darauf begann Henri Becquerel im Jahr 1896 mit seinen Untersuchungen von Verbindungen des Elements Uran. Dabei stellte er fest, dass diese Verbindungen eine neue Art von Strahlung spontan aussenden. Diese Strahlung wies eine ähnliche Beschaffenheit wie die von Röntgen beschriebenen Strahlen auf.

Frühe Beiträge auf dem Gebiet der Radiochemie kamen von Ernest Rutherford, Frederick Soddy, Kasimir Fajans, Fritz Paneth, Moïse Haissinsky, Gregory Choppin, George Hevesy, Otto Hahn uvm. Radiochemiker untersuchten z. B. die Alpha-Zerfallsreihen (ausgehend von den radioaktiven Th- und U-Isotopen) oder (kernphysikalisch) induzierte Kernreaktionen. Die dabei auftretenden Umwandlungen von Elementen (Transmutation bzw. die Herstellung von Elementen – der uralte Traum der Alchemisten bzw. Chemiker) ließen sich nur mit speziellen chemischen Analysemethoden studieren, insbesondere da die Reaktionsprodukte oft nur in minimalen Mengen (Spuren) vorkamen.

Bis etwa 1934 wurden nur wenige Elemente mit radioaktiven Isotopen erforscht. Die ersten waren das Polonium, welches Marie Curie 1898 entdeckte, gefolgt von dem radioaktiven Radium, welches sie noch im gleichen Jahr entdeckte. Das Paar trennte mit den ersten analytischen Verfahren der Radiochemie das Radium und Polonium aus Pechblende aus Jáchymov ab.

Diese Elemente, zusammen mit Radon, Francium, Actinium und dem Protactinium, und die Elemente 84, 86, 87, kommen in der Natur vor, da sie durch den radioaktiven Zerfall langlebiger Substanzen kontinuierlich erzeugt wurden. Hingegen müssen Elemente wie Technetium, Promethium oder Astat künstlich erzeugt werden, da sie keine langlebigen Isotope besitzen, um in nachweisbaren Mengen auf der Erde zu verbleiben. Es gelang dem Forscherpaar Frédéric Juliot / Irène Joliot-Curie außerdem, inaktive Elemente durch Bombardement mit Alpha-Teilchen zu aktivieren. Damit war der Weg frei für die künstliche Herstellung von radioaktiven Elemente.

Enrico Fermi und seine Wissenschaftler, damals noch in Rom, griffen als Alternative für die Aktivierung auf Neutronen (1932 durch Chadwick entdeckt) zurück, um künstliche radioaktive Elemente zu erzeugen. Um diese Zeit wurden weltweit auch die ersten Teilchenbeschleuniger, das Zyklotron und die Cockcroft-Walton-Maschine, aufgebaut und konnten ebenfalls verwendet werden. Radioaktive Isotope in größeren Mengen konnten jedoch erst seit der Erfindung des Kernreaktors nach 1942 durch die günstige Kernreaktion des Neutroneneinfangs gewonnen werden.

Das Technetium (Te) war das erste synthetische, radioaktive Element, welches Carlo Perrier und Emilio Segrè im Jahr 1937 abtrennten und als Element 43 identifizierten. Segrè war 1936 in Berkeley bei Ernest Lawrence und bat ihn bei seiner Abreise um den Rückversand von kleineren Gegenständen, die bei Experimenten mit einem der Zyklotrons des Berkeley Radiation Laboratory mitbeschossen wurden. Lawrance sendet ihm eine Folie aus Molybdän, welche mit Deuteronen (d) beschossen wurde, nach Palermo zurück. Durch radioanalytische Untersuchungen entdeckten Perrier und Segrè das Technetium. Segrè kehrte später nach Berkeley zurück, wo er bei Glenn T. Seaborg mit Chien-Shiung Wu das metastabile Te-99m entdeckte, welches eine wichtige Substanz in der Nuklearmedizin ist.

Auch in den USA wurde ab 1940 die radiochemische Forschung im Rahmen des Manhattan-Projekts intensiviert. So konnte beispielsweise die von Meitner, Hahn und Strassmann nachgewiesene Spaltung von Atomkernen Anfang 1939 unmittelbar verifiziert werden. In der Sowjetunion begannen ab den 1920er Jahren die radiochemische Arbeiten durch Witali Chlopin, Wladimir Wernadski u. a.

Im Jahr 1941 entdeckten US-amerikanische Radiochemiker in den Räumen der Gilman Hall das spaltbare Isotop des neuen und synthetischen Elements Plutonium. Diese Arbeiten führten zur umfangreichen Wettlauf der Erforschung der neuen Elemente, auch genannt Transurane bzw. Actinoide, und später der Erforschung der schwersten Elemente.

Bis in die 1980er Jahre fand in speziellen radiochemischen Labors bzw. Kernforschungseinrichtungen oder kerntechnischen Anlagen aktive Kernforschung und Entwicklung statt. Heutzutage existieren weiterhin vereinzelte Speziallabors, die radioaktive Stoffe untersuchen, meist als Teil größerer Forschungseinrichtungen oder Organisationen. Dazu kommen Labor im Bereich der Radioökologie, der nuklearen Sicherheit (Nichtverbreitung), sowie Labore für militärische Forschung im Zusammenhang mit nuklearen Materialien.

Arbeitsgebiete und Techniken der Radiochemie

Typische Arbeitsgebiete der Radiochemie sind:

• Studium der radioaktiven und verwandten chemischen Elemente (Lanthanoide, Actinoide oder Transurane)
• Verhalten radioaktiver Stoffe (Radioaktivität)
• Chemisches Verhalten von Kernreaktionen, z. B. Kernspaltung und Fragmente
• Chemie „heißer Atome“ (chemische Effekte bei Kernumwandlungen, vgl. auch Szilard-Chalmers-Reaktionen) ab einer Aktivität, die größer ist als 100 GBq

Typische Anwendungen: Aktivierungsanalyse, Indikatoranalyse, Isotopenverdünnung, Isotopentechnik, Produktion von Radioisotopen und Strahlungsquellen, Chemie der Aufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffen und Chemie der radioaktiven Abfälle.

Zusätzlich zu den radiochemisch-analytischen Methoden wird Kernmaterial (Spuren oder Quantitativ) mit einer Reihe physikalisch-technischer Methoden und Verfahren wie Spektrophotometrie, Fluorimetrie, Potentiometrie, Gravimetrie, XRF, Alpha- und Gammaspektrometern (Ge-Detektoren, Si(Li)-Detektor und andere Halbleiterdetektoren), Massenspektrometern (ICP-AES, ICP-MS), Kernstrahlungsmessung u. dgl. untersucht.

Einigen Methoden und Verfahren, die später zur Kernchemie gezählt wurden, waren radiochemische Methoden voraus. Zwischen den Fachgebieten gibt es Überlagerungen. Man kann sagen, dass die Kernchemie technisch auf der Radiochemie aufbaut.

Anwendungen

Indikatormethode oder Tracermethode

Siehe auch: Tracer (Nuklearmedizin)

Hierbei ersetzt man in einer chemischen Verbindung ein bestimmtes Atom durch ein Radionuklid. Damit ist es möglich, eine chemische Reaktion oder einen Transportvorgang zu verfolgen. (Ersetzen ist hier im übertragenen Sinne gemeint: oft muss eine Aufbaureaktion aus kleineren Fragmenten, die rakioaktive Kerne an der gewünschten Stelle des Zielmoleküls einfügen, durchgeführt werden.)

Beispiele:

• Über mit ¹³¹I markiertes Bleiiodid, dessen Aktivität bekannt ist, kann man in Wasser die Einstellung des Lösungsgleichgewichtes verfolgen und damit das Löslichkeitsprodukt ermitteln.
• Untersuchung von Mechanismen über mit ¹⁴C markierte Moleküle
• Untersuchung von Assimilationsvorgängen über ¹⁴CO₂

Radioaktive Altersbestimmung

→ Hauptartikel: Radiometrische Datierung

Das radioaktive Zerfallsgesetz ermöglicht es, über die Einstellung eines bestimmten Mengenverhältnisses von Ausgangs- und Zerfallsprodukten die dafür nötige Zeit zu ermitteln. Eine bekannte Methode ist die Radiokohlenstoffdatierung. Des Weiteren lässt sich beispielsweise das Alter von geologischen Proben nach folgenden Methoden bestimmen:

• Rubidium-Strontium-Verfahren über ⁸⁷Rb und ⁸⁷Sr
• Uran-Blei-Verfahren über das Verhältnis von ²⁰⁶Pb aus ²³⁸U und ²⁰⁷Pb aus ²³⁵U
• Uran-Helium-Verfahren, wobei das aus ²³⁸U stammende Helium im Gestein ermittelt wird
• Kalium-Argon-Verfahren über das Verhältnis von ⁴⁰K und das aus dem Kalium entstandene ⁴⁰Ar

Analysenmethoden

Der Einsatz von Radionukliden in der analytischen Chemie bedingt eine größere Nachweisempfindlichkeit. Man unterscheidet hierbei nach:

• Analyse aufgrund natürlicher Radioaktivität z. B. zur Bestimmung von Kalium in Mineralsalzen
• Verdünnungsanalyse: Hierbei wird einer Substanz mit einer unbekannten Menge von Molekülen eine bekannte Menge von Indikatormolekülen (gleiche Molekülart mit bekannter Aktivität) zugegeben und vollständig vermischt. Danach wird eine bestimmte Stoffmenge entnommen und die Aktivität der Mischung bestimmt. Hieraus kann man dann die unbekannte Menge berechnen. Eine Anwendung ist z. B. der Radioimmunassay (RIA) zur Spurenbestimmung von Antigenen, Hormonen und Arzneimitteln im Blutserum.
• Aktivierungsanalyse: Sie beruht darauf, dass die Aktivität eines durch eine Kernreaktion entstandenen Radionuklids bestimmt und damit die in der Probe vorhandene Menge des Radionuklids berechnet wird. Häufig erfolgt dabei die Aktivierung durch Neutronen in einem Kernreaktor oder mit einer speziellen Neutronenquelle.

Diagnostik in der Medizin

Hierbei wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass bestimmte Organe und Tumoren Radionuklide unterschiedlich aufnehmen. Durch Bestimmung der emittierten Gamma-Quanten wird dann ein Farbszintigramm des Organs erstellt. Mit den entsprechenden Verfahren beschäftigt sich die Nuklearmedizin.

Radiochemische Forschungszentren

Einige der Labore sind interdisziplinär aufgestellt und betreiben daher auch andere Forschung. In der Liste sind auch ehemalige Einrichtungen enthalten. Dies ist nur eine Auswahl.

• Atomic Energy Research Establishment, UK
• Cavendish Laboratory, UK
• Chalk River, ON, CA
• Institut du Radium—Laboratoire Curie, Paris
• Institut de Chimie du Collège de France, Paris
• Institut für Radiumforschung, Wien
• Instytut Radowy w Warszawie, Warschau
• Institut für Referenzmaterialien und Messungen (IRMM), Geel
• Kaiser-Wilhelm-Institut für Chemie, Berlin
• 1959 Gesellschaft für Kernforschung (GfK), ab 1978 Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK) und JRC Karlsruhe
• Labor Spiez, Schweiz
• Metallurgical Laboratory, University of Chicago und Argonne National Laboratory, Chicago, USA
• Pupin Physics Laboratories (Columbia)
• Radiochemical Centre – Amersham
• Radium Institut—V. G. Khlopin Radium Institute, Petrograd (siehe auch Chlopin und Wernadski)
• Radiochemie München (RCM)
• Forschungszentrum Seibersdorf, Wien

Preise und Auszeichnungen

• Glenn T. Seaborg Award for Nuclear Chemistry

• Otto-Hahn-Preis
• Siehe auch die verwandten Preise und Auszeichnungen in der Kernphysik

Literatur

Siehe auch: Transurane, Actinoide und Radioaktivität

Siehe auch: Kernchemie

Fachjournale

• Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry

Fachbücher

• Cornelius Keller: Grundlagen der Radiochemie. 3. Auflage. Salle & Sauerländer, Frankfurt am Main 1993, ISBN 3-7935-5487-2 (englisch, archive.org – Die 2. Auflage 1981 wurde ins Englische übersetzt "Radiochemistry"). 
• Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezső G. Lovas, Frank Rösch (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry. Springer US, Boston, MA 2011, ISBN 978-1-4419-0719-6, doi:10.1007/978-1-4419-0720-2 (englisch, 6 Bände). 
• Stephen T Liddle, David P Mills, Louise S Natrajan: The Lanthanides and Actinides: Synthesis, Reactivity, Properties and Applications. World Scientific, 2022, ISBN 978-1-80061-015-6, doi:10.1142/q0298 (englisch). 

Klassiker

• S. Curie: Untersuchungen über die Radioaktiven Substanzen. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 1904, ISBN 3-663-12784-2, doi:10.1007/978-3-663-13893-8. 
• Frederick Soddy: The Chemistry of the Radio-Elements. Hrsg.: Alexander Findlay (= Monographs on Inorganic and Physical Chemistry). Longmans, Green and Co., London 1911 (englisch, archive.org). 
• Otto Hahn: Applied Radiochemistry. Hassel Street Press, New York 1936, ISBN 978-1-01-367398-6 (englisch). 
• Arthur C. Wahl, Norman A. Bonner (Hrsg.): Radioactivity Applied to Chemistry. John Wiley & Sons Inc, New York 1951 (englisch, archive.org). 
• G. B. Cook, J. F. Duncan: Modern Radiochemical Practice. Oxford University Press, Oxford 1952 (englisch, archive.org). 
• E. Broda, T. Schönfeld: Verwendung der Radioaktivität in der Mikrochemie. Hrsg.: Friedrich Hecht, Michael K. Zacherl (= Handbuch der Mikrochemischen Methoden. Band 2). Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1955, ISBN 978-3-662-35458-2, doi:10.1007/978-3-662-36286-0. 
• Iossif Je. Starik: Grundlagen der Radiochemie. De Gruyter, 1963, ISBN 978-3-11-275239-5, doi:10.1515/9783112752395 (Übersetzer: Kurt Schwabe). 

Labor

• Lieselott Herforth, Hartwig Koch: Radiophysikalisches und radiochemisches Grundpraktikum (= Franz Xaver Eder, Robert Rompe [Hrsg.]: Hochschulbücher für Physik. Band 31). 1. Auflage. Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1959 (uni-leipzig.de). 
• Cornelius Keller, Bernard Heinrich (Hrsg.): Experimente zur Radiochemie (= Laborbücher Chemie). Diesterweg, Frankfurt am Main 1980, ISBN 3-425-05453-8. 
• An. N. Nesmejanow: Praktischer Leitfaden der Radiochemie. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig 1962 (Bruder von A. N. Nesmejanow). 
• Robert Schwankner: Radiochemie-Praktikum: Einführung in das kern- und radiochemische Grundpraktikum (= UTB Chemie, Physik, Biologie. Band 1068). Schöningh, Paderborn 1980, ISBN 978-3-506-99316-8. 
• Peter Hoffmann, Karl Heinrich Lieser: Methoden der Kern- und Radiochemie. VCH, Weinheim 1991, ISBN 978-3-527-28256-2. 

Weblinks

• Eintrag zu Radiochemie. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 14. Juni 2014.

Einzelnachweise

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