Americium

Eigenschaften
[Rn] 5f7 7s2 95Am Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Americium, Am, 95
Elementkategorie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbrig-weißes Metall
CAS-Nummer	7440-35-9
EG-Nummer	231-144-4
ECHA-InfoCard	100.028.313
Atomar
Atommasse	243,061375 u
Atomradius	184 pm
Van-der-Waals-Radius	228,5 pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 5f7 7s2
1. Ionisierungsenergie	5.97381(25) eV ≈ 576.38 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	11.7(4) eV ≈ 1130 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	21.7(4) eV ≈ 2090 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	36.8(4) eV ≈ 3550 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	50.0(1,9) eV ≈ 4820 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	13,67 g/cm3
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 7,1 · 10−4)
Schmelzpunkt	1449 K (1176 °C)
Siedepunkt	2880 (2607 °C)
Molares Volumen	1,778 · 10−5 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	238,5 kJ/mol
Schmelzenthalpie	14,4 kJ·mol−1
Spezifische Wärmekapazität	0,11 J·kg−1·K−1
Elektrische Leitfähigkeit	147,1 S·m−1 bei 293,15 K
Wärmeleitfähigkeit	10 W·m−1·K−1 bei 300 K
Chemisch
Oxidationszustände	+2, +3, +4, +5, +6, (+7)
Normalpotential	−2,070 V (Am3+ + 3 e− → Am)
Elektronegativität	1,3 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 238Am {syn.} 98 min ε (≈ 100 %) 238Pu α (1,0 · 10−4 %) 234Np 239Am {syn.} 11,9 h ε (≈ 100 %) 239Pu α (0,010 %) 235Np 240Am {syn.} 50,8 h ε (≈ 100 %) 240Pu α (1,9 · 10−4 %) 236Np 241Am {syn.} 432,2 a α (≈ 100 %) 5,486 237Np SF (4,3 · 10−10 %) ? ? 242Am {syn.} 16,02 h β− (82,7 %) 0,665 242Cm 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.} 0,014 s SF (≈ 100 %) ? ? α 7,788 238Np IT 2,2 242Am 243Am {syn.} 7370 a α (≈ 100 %) 5,438 239Np SF (4,7 · 10−9 %) ? ? 244Am {syn.} 10,1 h β− (100 %) 244Cm
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Gefahren- und Sicherheitshinweise
Radioaktiv
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung keine Einstufung verfügbar
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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

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-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.

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

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.

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

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 normalerweise nicht natürlich vor. Ausnahmen sind Vorkommen in natürlichen Reaktoren, die vor ca. 1,5 Mrd. Jahren während eines langen Zeitraumes von mehreren hundert Jahrtausenden intermittierenden Überschreitens der kritischen Masse in Uranlagerstätten wie in Oklo entstanden sind. Dort konnten lokal neben 4 Tonnen Plutonium auch hohe Konzentrationen von Americium nachgewiesen werden.

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.

Da Americium auf der Erde mit wenigen lokal begrenzten Ausnahmen nicht natürlich vorkommt, ist jegliches anderweitige Vorkommen in der Natur durch Kontamination verursacht. Seit den oberirdischen Atomwaffenversuchen ist es ubiquitär auf der Nordhalbkugel in geringen Konzentrationen in Boden, Luft und Hydrosphäre nachweisbar. Über diese Grundkontamination hinaus konzentriert sich die bestehende Kontamination mit Americium auf Gebiete, die zwischen 1945 und 1980 für Atomwaffentests genutzt wurden, wie die Wüste von Nevada, das Bikini-Atoll, Nowaja Semlja, Kasachstan, Nullarbor-Wüste (Australien). Dazu kommen von nuklearen Unfällen betroffene Gebiete , z. B. Tschernobyl oder Windscale etc. und Flächen die bei Unfällen mit Atomwaffen verseucht worden sind, z. B. Palomares im spanischen Almeria, wo sich das beim Unfall freigesetzte und nicht beseitigte Plutonium-241 im Laufe der Jahre zu Americum-241 umgewandelt hat, oder Thule (Grönland). Hinzu kommen Gebiete und Gewässer, in denen radioaktive Abfälle unsachgemäß gelagert oder entsorgt wurden, wie das Karische Meer, die Barentssee, sowie der Umkreis von Anlagen der Kernwaffenproduktion in den USA und Russland wie Hanford, Rocky Flats, Tschelyabinsk und Kyshtym. Bei erhöhter Kontamination des Bodens liegt durch Aufwirbelung von Aerosolen eine örtlich erhöhte Kontamination der Luft in diesen Gebieten vor.

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.

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

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.

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

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

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

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

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

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.

${\ce {2 AmF3 + 3 Ba -> 2 Am + 3 BaF2}}$

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

${\ce {3 AmO2 + 4 La -> 3 Am + 2 La2O3}}$

Eigenschaften

Am-241 unter dem Mikroskop

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

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 Raumgruppe P6₃/mmc (Raumgruppen-Nr. 194)Vorlage:Raumgruppe/194 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 Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225 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 (Δ_fH⁰) 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), Am^VO₂⁺ (gelb), Am^VIO₂²⁺ (zitronengelb), Am^VIIO₆⁵⁻ (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:

${\ce {3 AmO2^+ + 4 H^+ -> 2 AmO2^2+ + Am^3+ + 2 H2O}}$

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

${\ce {2 Am (V) -> Am (VI) + Am (IV)}}$

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.

• 
  Americium(III)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung
• 
  Americium(IV)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung
• 
  Americium(IV) und (VI)
  in 2 M Na₂CO₃-Lösung

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 § 2 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.

Americium 241 in einem Rauchmelder

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 plante, 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:

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

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

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

Ionisator

Americium 241 im Bürstenkopf

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.

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

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.

Oxidations- zahl	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:

$\mathrm {2\ AmF_{3}\ +\ F_{2}\ \longrightarrow \ 2\ AmF_{4}}$

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“ (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.

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

Commons: Americium – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Americium – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Americium. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.
• Rachel Sheremeta Pepling: Americium. Chemical & Engineering News, 2003.

Einzelnachweise

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