Curium

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Eigenschaften
[Rn] 5f76d17s2 96 Cm Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Curium, Cm, 96
Serie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbrig-weißes Metall
CAS-Nummer	7440-51-9
Massenanteil an der Erdhülle	0 %
Atomar [1]
Atommasse	247,0703 u
Atomradius (berechnet)	174,3 pm[2] () pm
Elektronenkonfiguration	[Rn] 5f76d17s2
Elektronen pro Energieniveau	2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
1. Ionisierungsenergie	581 kJ/mol
Physikalisch [1]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	13,51 g/cm3
Schmelzpunkt	1613 K (1340 °C)
Siedepunkt	3383 K (3110 °C)
Molares Volumen	18,05 · 10−6 m3/mol
Wärmeleitfähigkeit	10[3] W/(m · K) bei 300 K
Chemisch [1]
Oxidationszustände	(+2), +3, +4
Oxide (Basizität)
Normalpotential	−2,06 V (Cm3+ + 3 e− → Cm)
Elektronegativität	1,3 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZM ZE MeV ZP [4] 234Cm {syn.} 51 s α 7,239 230Pu ε (47 %) ? 234Am SF (3 %) ? ? 238Cm {syn.} 2,4 h α (≤ 10 %) 6,620 234Pu ε (?) ? 238Am 239Cm {syn.} 2,9 h ε (≈ 100 %) ? 239Am α (< 0,1 %) 235Pu 240Cm {syn.} 27 d α (≈ 100 %) 6,397 236Pu ε (< 0,5 %) 0,215 240Am SF (3,9 · 10−6 %) ? ? 241Cm {syn.} 32,8 d ε (99,0 %) 0,767 241Am α (1,0 %) 6,185 237Pu 242Cm {syn.} 162,8 d α (≈ 100 %) 6,216 238Pu SF (6,2 · 10−6 %) ? ? 243Cm {syn.} 29,1 a α (≈ 100 %) 6,169 239Pu ε (0,29 %) 0,009 243Am SF (5,3 · 10−9 %) ? ? 244Cm {syn.} 18,1 a α (≈ 100 %) 5,902 240Pu SF (1,37 · 10−4 %) ? ? 245Cm {syn.} 8500 a α (≈ 100 %) 5,623 241Pu SF (6,1 · 10−7 %) ? ? 246Cm {syn.} 4760 a α (≈ 100 %) 5,475 242Pu SF (0,02615 %) ? ? 247Cm {syn.} 15,6 · 106 a α (≈ 100 %) 5,353 243Pu 248Cm {syn.} 348.000 a α (91,61 %) 5,162 244Pu SF (8,39 %) ? ? 249Cm {syn.} 64,15 min β− (100 %) 0,90 249Bk 250Cm {syn.} 8300 a SF (74 %) ? ? α (18 %) 5,169 246Pu β− (8 %) 0,037 250Bk 251Cm {syn.} 16,8 min β− (100 %) 1,420 251Bk
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung [5] 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.

Curium ist ein ausschließlich künstlich erzeugtes chemisches Element mit dem Symbol Cm und der Ordnungszahl 96 im Periodensystem der Elemente. Es gehört zur Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Curium wurde nach den Forschern Marie Curie und Pierre Curie benannt.

Bei Curium handelt es sich um ein radioaktives Metall mit einer großen Härte und einem silbrig-weißen Aussehen. Es wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 20 g des Metalls.

Curium wurde im Sommer 1944 erstmalig aus dem leichteren Element Plutonium 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, indem er die Frage eines jungen Zuhörers bejahte, ob neue Elemente entdeckt worden seien.

Curium ist ein starker α-Strahler; es wird gelegentlich aufgrund der sehr großen Wärmeentwicklung während des Zerfalls in Radionuklidbatterien eingesetzt. Außerdem wurde es zur Erzeugung von ²³⁸Pu für gammastrahlungsarme Radionuklidbatterien, beispielsweise in Herzschrittmachern, verwendet. Das Element kann weiterhin als Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und Transactinoide eingesetzt werden. Es diente auch als α-Strahlenquelle in Röntgenspektrometern, mit denen u. a. die Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity auf der Oberfläche des Planeten Mars Felsen chemisch analysierten.

Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Vorkommen 3 Gewinnung und Darstellung 3.1 Gewinnung von Curiumisotopen 3.2 Darstellung elementaren Curiums 4 Eigenschaften 4.1 Physikalische Eigenschaften 4.2 Chemische Eigenschaften 4.3 Biologische Aspekte 5 Isotope 6 Verwendung 6.1 in Radionuklidbatterien 6.2 in Röntgenspektrometern 6.3 zur Herstellung anderer Elemente 6.4 als Kernbrennstoff 6.5 in Kernwaffen 7 Sicherheitshinweise 7.1 Wirkung im Körper 8 Kernreaktor-Abfallproblematik 9 Verbindungen und Reaktionen 9.1 Oxide 9.2 Halogenide 9.3 Chalcogenide und Pentelide 9.4 Metallorganische Verbindungen 10 Einzelnachweise 11 Literatur 12 Weblinks

[Bearbeiten] Geschichte

Curium wurde im Sommer 1944 von Glenn T. Seaborg und seinen Mitarbeitern Ralph A. James und Albert Ghiorso entdeckt. In ihren Versuchsreihen benutzten sie ein 60-Inch-Cyclotron an der Universität von Californien in Berkeley. Nach Neptunium und Plutonium war es das dritte Transuran, das seit dem Jahr 1940 entdeckt wurde. Seine Erzeugung gelang noch vor der des in der Ordnungszahl um 1 tiefer stehenden Elements Americium.^[6][7]

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 6 M Salpetersäure (HNO₃) gelöst, anschließend wieder mit konz. wässrigem Ammoniak (NH₃) als Hydroxid ausgefällt und der Rückstand in 0,5 M Perchlorsäure (HClO₄) gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mit Ionenaustauschern (Dowex-50). Bei den Versuchsreihen wurden zwei verschiedene Isotope erzeugt: ²⁴²Cm und ²⁴⁰Cm.

Das erste Isotop ²⁴²Cm erzeugten sie im Juli/August 1944 durch Beschuss von ²³⁹Pu mit α-Teilchen. Hierbei entsteht in einer sogenannten (α,n)-Reaktion das gewünschte Isotop und ein Neutron:

Die Identifikation konnte zweifelsfrei anhand der charakteristischen Energie des beim Zerfall ausgesandten α-Teilchens erlangt werden. Die Halbwertszeit dieses α-Zerfalls wurde erstmals auf 150 Tage bestimmt (162,8 d^[4]).

Das zweite, kurzlebigere Isotop ²⁴⁰Cm, das ebenfalls durch Beschuss von ²³⁹Pu mit α-Teilchen entsteht, entdeckten sie erst später im März 1945:

Die Halbwertszeit des anschließenden α-Zerfalls wurde erstmals auf 26,7 Tage bestimmt (27 d^[4]).

Auf Grund des andauernden Zweiten Weltkriegs wurde die Entdeckung des neuen Elements zunächst nicht veröffentlicht. Die Öffentlichkeit erfuhr erst auf äußerst kuriose Weise von dessen Existenz. In der amerikanischen Radiosendung Quiz Kids vom 11. November 1945 fragte einer der jungen Zuhörer Glenn Seaborg, den Gast der Sendung, ob während des Zweiten Weltkriegs im Zuge der Erforschung von Nuklearwaffen neue Elemente entdeckt worden seien. Seaborg bejahte die Frage und enthüllte damit die Existenz des Elements gleichzeitig mit der des nächstniedrigeren Elements, Americium.^[8] Dies geschah noch vor der offiziellen Bekanntmachung bei einem Symposium der American Chemical Society.

Die Entdeckung von Curium (²⁴²Cm, ²⁴⁰Cm), ihre Produktion und die ihrer Verbindungen wurden später unter dem Namen „ELEMENT 96 AND COMPOSITIONS THEREOF “ patentiert, wobei als Erfinder nur Glenn T. Seaborg angegeben wurde.^[9]

Der Name Curium wurde in Analogie zu Gadolinium gewählt, dem Seltenerdmetall, das im Periodensystem genau über Curium steht. Die Namenswahl ist als Ehrerbietung an das Ehepaar Marie und Pierre Curie zu verstehen, die viel zur Erforschung der Radioaktivität beigetragen haben. Es folgt damit der Namensgebung von Gadolinium, das nach dem berühmten Erforscher der Seltenen Erden, Johan Gadolin benannt ist: As the name for the element of atomic number 96 we should like to propose "curium", with symbol Cm. The evidence indicates that element 96 contains seven 5f electrons and is thus analogous to the element gadolinium with its seven 4f electrons in the regular rare earth series. On this basis element 96 is named after the Curies in a manner analogous to the naming of gadolinium, in which the chemist Gadolin was honored.^[6]

Marie Curie, 1911

Pierre Curie

Die erste wägbare Menge Curium konnte 1947 in Form des Hydroxids von Louis B. Werner und Isadore Perlman^[10] hergestellt werden. Hierbei handelte es sich um 40 μg Curium ²⁴²Cm, das durch Neutronenbeschuss von Americium ²⁴¹Am entstand.^[11] In elementarer Form wurde es erst 1951 durch Reduktion von Curium(III)-fluorid mit Barium dargestellt.^[12][13]

[Bearbeiten] Vorkommen

Das langlebigste Isotop ²⁴⁷Cm besitzt eine Halbwertszeit von 15,6 Millionen Jahren. Aus diesem Grund ist das gesamte primordiale Curium, das die Erde bei ihrer Entstehung enthielt, mittlerweile zerfallen. Curium wird zu Forschungszwecken in kleinen Mengen künstlich hergestellt. Weiterhin fällt es in geringen Mengen in abgebrannten Kernbrennstoffen an.

In der Umwelt vorkommendes Curium stammt größtenteils aus atmosphärischen Kernwaffentests bis 1980. Lokal gibt es bedingt durch nukleare Unfälle und andere Kernwaffentests höhere Vorkommen. Zum natürlichen Hintergrund der Erde trägt Curium allerdings kaum bei.^[14]

Über die Erstentdeckung von Einsteinium und Fermium in den Überresten der ersten amerikanischen Wasserstoffbombe, Ivy Mike, am 1. November 1952 auf dem Eniwetok-Atoll hinaus wurden neben Plutonium und Americium auch Isotope von Curium, Berkelium und Californium gefunden: vor allem die Isotope ²⁴⁵Cm und ²⁴⁶Cm, in kleineren Mengen ²⁴⁷Cm und ²⁴⁸Cm, in Spuren ²⁴⁹Cm. Wohl auch aus Gründen der militärischen Geheimhaltung wurden die Ergebnisse erst später im Jahr 1956 publiziert.^[15]

[Bearbeiten] Gewinnung und Darstellung

[Bearbeiten] Gewinnung von Curiumisotopen

Curium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute weltweit lediglich in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung, weshalb es einen sehr hohen Preis besitzt. Dieser beträgt etwa 160 US-Dollar pro Milligramm ²⁴⁴Cm bzw. ²⁴⁸Cm.^[16] In Kernreaktoren wird es aus ²³⁸U in einer Reihe von Kernreaktionen gebildet. Ein wichtiger Schritt ist hierbei die (n,γ)- oder Neutroneneinfangsreaktion, bei welcher das gebildete angeregte Tochternuklid durch Aussendung eines γ-Quants in den Grundzustand übergeht. Die hierzu benötigten freien Neutronen entstehen durch Kernspaltung anderer Kerne im Reaktor. In diesem kernchemischen Prozess wird zunächst durch eine (n,γ)-Reaktion gefolgt von zwei β⁻-Zerfällen das Plutoniumisotop ²³⁹Pu gebildet. In Brutreaktoren wird dieser Prozess zum Erbrüten neuen Spaltmaterials genutzt.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Zwei weitere (n,γ)-Reaktionen mit anschließendem β⁻-Zerfall liefern das Americiumisotop ²⁴¹Am. Dieses ergibt nach einer weiteren (n,γ)-Reaktion mit folgendem β-Zerfall ²⁴²Cm.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Zu Forschungszwecken kann Curium auf effizienterem Wege gezielt aus Plutonium gewonnen werden, das im großen Maßstab aus abgebranntem Kernbrennstoff erhältlich ist. Dieses wird hierzu mit einer Neutronenquelle, die einen hohen Neutronenfluss besitzt, bestrahlt. Die hierbei möglichen Neutronenflüsse sind um ein vielfaches höher als in einem Kernreaktor, so dass hier ein anderer Reaktionspfad als der oben dargestellte überwiegt. Aus ²³⁹Pu wird durch vier aufeinander folgende (n,γ)-Reaktionen ²⁴³Pu gebildet, welches durch β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 4,96 Stunden zu dem Americiumisotop ²⁴³Am zerfällt. Das durch eine weitere (n,γ)-Reaktion gebildete ²⁴⁴Am zerfällt wiederum durch β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 10,1 Stunden letztlich zu ²⁴⁴Cm.^[7]

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Diese Reaktion findet auch in Kernkraftwerken im Kernbrennstoff statt, so dass ²⁴⁴Cm auch bei der Wiederaufarbeitung abgebrannter Kernbrennstoffe anfällt und auf diesem Wege gewonnen werden kann.

Aus ²⁴⁴Cm entstehen durch weitere (n,γ)-Reaktionen im Reaktor in jeweils kleiner werdenden Mengen die nächst schwereren Isotope. In der Forschung sind besonders die Isotope ²⁴⁷Cm und ²⁴⁸Cm wegen ihrer langen Halbwertszeiten beliebt. Die Entstehung von ²⁵⁰Cm auf diesem Wege ist jedoch sehr unwahrscheinlich, da ²⁴⁹Cm nur eine kurze Halbwertszeit besitzt und so weitere Neutroneneinfänge in der kurzen Zeit unwahrscheinlich sind. Dieses Isotop ist jedoch aus dem α-Zerfall von ²⁵⁴Cf zugänglich. Problematisch ist hierbei jedoch, dass ²⁵⁴Cf hauptsächlich durch Spontanspaltung und nur in geringem Maße durch α-Zerfall zerfällt. ²⁴⁹Cm zerfällt durch β⁻-Zerfall zu Berkelium ²⁴⁹Bk.

(n,γ)-Reaktionen für die Nukleonenzahlen A=244–248, selten auch für A=249 und 250.

Durch Kaskaden von (n,γ)-Reaktionen und β-Zerfällen hergestelltes Curium besteht jedoch immer aus einem Gemisch verschiedener Isotope. Eine Auftrennung ist daher mit erheblichem Aufwand verbunden.

Zu Forschungszwecken wird auf Grund seiner langen Halbwertszeit bevorzugt ²⁴⁸Cm verwendet. Die effizienteste Methode zur Darstellung dieses Isotops ist durch den α-Zerfall von Californium ²⁵²Cf gegeben, das bedingt durch seine lange Halbwertszeit in größeren Mengen zugänglich ist. Auf diesem Wege gewonnenes ²⁴⁸Cm besitzt eine Isotopenreinheit von 97 %. Etwa 35–50 mg ²⁴⁸Cm werden auf diese Art derzeit pro Jahr erhalten.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

Das lediglich zur Isotopenforschung interessante reine ²⁴⁵Cm kann aus dem α-Zerfall von Californium ²⁴⁹Cf erhalten werden, welches in sehr geringen Mengen als Tochternuklid des β⁻-Zerfalls des Berkeliumisotops ²⁴⁹Bk erhalten werden kann.

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

[Bearbeiten] Darstellung elementaren Curiums

Metallisches Curium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurde Curium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen aus Tantal und Wolfram mit elementarem Barium oder Lithium zur Reaktion gebracht.^{[7][12][17][18][19]}

Auch die Reduktion von Curium(IV)-oxid mittels einer Magnesium-Zink-Legierung in einer Schmelze aus Magnesiumchlorid und Magnesiumfluorid ergibt metallisches Curium.^[20]

[Bearbeiten] Eigenschaften

[Bearbeiten] Physikalische Eigenschaften

Bei Curium handelt es sich um ein künstliches, radioaktives Metall. Dieses ist hart und hat ein silbrig-weißes Aussehen ähnlich dem Gadolinium, seinem Lanthanoidanalogon. Auch in seinen weiteren physikalischen und chemischen Eigenschaften ähnelt es diesem stark. Sein Schmelzpunkt von 1340 °C liegt deutlich höher als der der vorhergehenden Transurane Neptunium (639 °C) und Americium (1173 °C). Im Vergleich dazu schmilzt Gadolinium bei 1312 °C. Der Siedepunkt liegt bei 3110 °C.

Von Curium existiert bei Standardbedingungen mit α-Cm nur eine bekannte Modifikation. Diese kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der Raumgruppe mit den Gitterparametern a = 365 pm und c = 1182 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle.^[22] Die Kristallstruktur besteht aus einer doppelt-hexagonal dichtesten Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC und ist damit isotyp zur Struktur von α-La.

Oberhalb eines Drucks von 23 GPa geht α-Cm in β-Cm über. Die β-Modifikation kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe mit dem Gitterparameter a = 493 pm^[22], was einem kubisch flächenzentrierten Gitter (fcc) beziehungsweise einer kubisch dichtesten Kugelpackung mit der Stapelfolge ABC entspricht.

Die Fluoreszenz angeregter Cm(III)-Ionen ist ausreichend langlebig, um diese zur zeitaufgelösten Laserfluoreszenzspektroskopie zu nutzen.^[23] Die lange Fluoreszenz kann auf die große Energielücke zwischen dem Grundterm ⁸S_7/2 und dem ersten angeregten Zustand ⁶D_7/2 zurückgeführt werden. Dies erlaubt die gezielte Detektion von Curiumverbindungen unter weitgehender Ausblendung störender kurzlebiger Fluoreszenzprozesse durch weitere Metallionen und organische Substanzen.^[24]

[Bearbeiten] Chemische Eigenschaften

Die stabilste Oxidationsstufe für Curium ist +3. Gelegentlich ist es auch in der Oxidationsstufe +4 zu finden.^[25][26] Sein chemisches Verhalten ähnelt sehr dem Americium und vielen Lanthanoiden. In wässriger Lösung ist das Cm³⁺-Ion farblos, das Cm⁴⁺-Ion blassgelb.^[27]

Curiumionen gehören zu den harten Lewis-Säuren, weshalb sie die stabilsten Komplexe mit harten Basen bilden.^[28] Die Komplexbindung besitzt hierbei nur einen sehr geringen kovalenten Anteil und basiert hauptsächlich auf ionischer Wechselwirkung. Curium unterscheidet sich in seinem Komplexierungsverhalten von den frühen Actinoiden wie Thorium und Uran und ähnelt auch hier stark den Lanthanoiden.^[29] In Komplexen bevorzugt es eine neunfach Koordination mit dreifach überkappter trigonal-prismatischer Geometrie.

[Bearbeiten] Biologische Aspekte

Curium besitzt keine biologische Bedeutung.^[30] Die Biosorption von Cm³⁺ durch Bakterien und Archäen wurde untersucht.^[31][32]

[Bearbeiten] Isotope

Von Curium existieren nur Radionuklide und keine stabilen Isotope. Insgesamt sind 20 Isotope und 7 Kernisomere des Elements zwischen ²³³Cm und ²⁵²Cm bekannt.^[4] Die längsten Halbwertszeiten haben ²⁴⁷Cm mit 15,6 Mio. Jahren und ²⁴⁸Cm mit 348.000 Jahren. Daneben haben noch die Isotope ²⁴⁵Cm mit 8500, ²⁵⁰Cm mit 8300 und ²⁴⁶Cm mit 4760 Jahren lange Halbwertszeiten. Curium ²⁵⁰Cm ist dabei eine Besonderheit, da sein radioaktiver Zerfall zum überwiegenden Teil (etwa 86 %) in spontaner Spaltung besteht.

Die am häufigsten technisch eingesetzten Curiumisotope sind ²⁴²Cm mit 162,8 Tagen und ²⁴⁴Cm mit 18,1 Jahren Halbwertszeit.

Die Wirkungsquerschnitte für induzierte Spaltung durch ein thermisches Neutron betragen:^[33] für ²⁴²Cm etwa 5 b, ²⁴³Cm 620 b, ²⁴⁴Cm 1,1 b, ²⁴⁵Cm 2100 b, ²⁴⁶Cm 0,16 b, ²⁴⁷Cm 82 b, ²⁴⁸Cm 0,36 b. Dies entspricht der Regel, nach der meist die Transuran-Nuklide mit ungerader Neutronenzahl "thermisch leicht spaltbar" sind.

→ Liste der Curiumisotope

[Bearbeiten] Verwendung

[Bearbeiten] in Radionuklidbatterien

Curium gehört zu den am stärksten radioaktiven Substanzen. Da die beiden am häufigsten erbrüteten Isotope, ²⁴²Cm und ²⁴⁴Cm, nur kurze Halbwertszeiten (162,8 Tage bzw. 18,1 Jahre) und Alphaenergien von etwa 6 MeV haben, zeigt es eine viel stärkere Aktivität als etwa das in der natürlichen Uran-Radium-Zerfallsreihe erzeugte ²²⁶Ra.^[3] Aufgrund dieser Radioaktivität gibt es sehr große Wärmemengen ab; Curium ²⁴⁴Cm emittiert 3 Watt/g und Curium ²⁴²Cm sogar 120 Watt/g.^[34] Diese Curiumisotope können aufgrund der extremen Wärmeentwicklung in Form von Curium(III)-oxid (Cm₂O₃) in Radionuklidbatterien zur Versorgung mit Elektrischer Energie z. B. in Raumsonden eingesetzt werden. Dafür wurde vor allem die Verwendung von ²⁴⁴Cm untersucht. Als α-Strahler benötigt es eine wesentlich dünnere Abschirmung als die Betastrahler, jedoch ist seine Spontanspaltungsrate und damit die Neutronen- und Gammastrahlung höher als die von ²³⁸Pu. Es unterlag daher wegen der benötigten dicken Abschirmung und starken Neutronenstrahlung sowie seiner kürzeren Halbwertszeit (18,1 Jahre) dem Plutonium ²³⁸Pu mit 87,7 Jahren Halbwertszeit.^[35]

²⁴²Cm wurde auch eingesetzt, um ²³⁸Pu für Radionuklidbatterien in Herzschrittmachern zu erzeugen. Im Reaktor erbrütetes ²³⁸Pu wird durch die (n,2n)-Reaktion von ²³⁷Np immer mit ²³⁶Pu verunreinigt, in dessen Zerfallsreihe der starke Gammastrahler ²⁰⁸Tl vorkommt. Ähnliches gilt auch für aus Uran unter Deuteronenbeschuss gewonnene ²³⁸Pu. Die anderen gewöhnlicherweise im Reaktor in relevanten Mengen erbrüteten Curium-Isotope führen in ihren Zerfallsreihen schnell auf langlebige Isotope, deren Strahlung für die Konstruktion von Herzschrittmachern dann nicht mehr relevant ist.^[36]

[Bearbeiten] in Röntgenspektrometern

²⁴⁴Cm dient als α-Strahlenquelle in den vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz entwickelten α-Partikel-Röntgenspektrometern (APXS), mit denen die Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity auf dem Planeten Mars Felsen chemisch analysierten. Auch der Lander Philae der Raumsonde Rosetta ist mit einem APXS ausgestattet, um die Zusammensetzung des Kometen Tschurjumow-Gerasimenko zu analysieren.^[37]

Außerdem hatten bereits die Mondsonden Surveyor 5–7 Alphaspektrometer an Bord. Diese arbeiteten jedoch mit Curium ²⁴²Cm und maßen die von den α-Teilchen aus dem Mondboden herausgeschlagenen Protonen und zurückgeworfene α-Teilchen.^[38][39]

[Bearbeiten] zur Herstellung anderer Elemente

Weiterhin ist Curium Ausgangsmaterial zur Erzeugung höherer Transurane und auch der Transactinoide. So führt zum Beispiel der Beschuss von ²⁴⁸Cm mit Sauerstoff- (¹⁸O) beziehungsweise Magnesiumkernen (²⁶Mg) zu den Elementen Seaborgium ²⁶⁵Sg beziehungsweise Hassium ²⁶⁹Hs und ²⁷⁰Hs.^[40]

[Bearbeiten] als Kernbrennstoff

Die ungeradzahligen Curiumisotope, insbesondere ²⁴³Cm, ²⁴⁵Cm und ²⁴⁷Cm eignen sich aufgrund der hohen Spaltquerschnitte prinzipiell auch als Kernbrennstoffe in einem thermischen Kernreaktor. Generell können alle Isotope zwischen ²⁴²Cm und ²⁴⁸Cm sowie ²⁵⁰Cm eine Kettenreaktion aufrecht erhalten, wenn auch zum Teil nur mit schneller Spaltung. In einem schnellen Reaktor könnte also jede beliebige Mischung der genannten Isotope als Brennstoff verwendet werden.^[41] Der Vorteil liegt dann darin, dass bei der Gewinnung aus abgebranntem Kernbrennstoff keine Isotopentrennung durchgeführt werden müsste sondern lediglich eine chemische Separation des Curiums von den anderen Stoffen.

Untenstehende Tabelle gibt die kritischen Massen für eine reine Kugelgeometrie ohne Moderator und Reflektor an:

Isotop	Kritische Masse	Radius
242Cm	371 kg	40,1 cm
243Cm	7,34–10 kg	10–11 cm
244Cm	(13,5)–30 kg	(12,4)–16 cm
245Cm	9,41–12,3 kg	11–12 cm
246Cm	39–70,1 kg	18–21 cm
247Cm	6,94–7,06 kg	9,9 cm
248Cm	40,4 kg	19,2 cm
250Cm	23,5 kg	16,0 cm

Mit Reflektor liegen die kritischen Massen der ungeradzahligen Isotope bei etwa 3–4 kg. In wässriger Lösung mit Reflektor lässt sich die kritische Masse für ²⁴⁵Cm bis auf 59 g reduzieren (²⁴³Cm: 155 g; ²⁴⁷Cm: 1,55 kg; diese Werte sind aufgrund von Unsicherheiten der für die Berechnung relevanten physikalischen Daten nur auf etwa 15 % genau, dementsprechend finden sich in unterschiedlichen Quellen teils stark schwankende Angaben, s. z.B. ^[42] und ^[41]. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und des hohen Preises wird Curium aber nicht als Kernbrennstoff eingesetzt und ist daher im Atomgesetz in Deutschland auch nicht als solcher klassifiziert.^[43]

[Bearbeiten] in Kernwaffen

Wie auch für den Reaktorbetrieb können vor allem die ungeradzahligen Curiumisotope, hier wiederum insbesondere ²⁴⁵Cm und ²⁴⁷Cm, auch zum Bau von Kernwaffen eingesetzt werden. Bomben aus ²⁴³Cm wären aufgrund der geringen Halbwertszeit des Isotops mit einem erheblichen Wartungsaufwand verbunden. Außerdem müsste ²⁴³Cm als α-Strahler durch die beim radioaktiven Zerfall freiwerdende Energie glühend heiß sein, was die Konstruktion einer Bombe sehr erschweren dürfte. Da die kritischen Massen zum Teil sehr klein sind, ließen sich so vergleichsweise kleine Bomben konstruieren. Bisher sind allerdings keine Aktivitäten dieser Art publik geworden, was sich ebenfalls auf die geringe Verfügbarkeit zurückführen lässt.

[Bearbeiten] Sicherheitshinweise

Da von Curium nur radioaktive Isotope existieren, darf es selbst sowie seine Verbindungen nur in geeigneten Laboratorien unter speziellen Vorkehrungsmaßnahmen gehandhabt werden. Die meisten gängigen Curiumisotope sind α-Strahler, weshalb eine Inkorporation unbedingt vermieden werden muss. Auch zerfällt ein Großteil der Isotope zu einem gewissen Anteil unter Spontanspaltung. Das breite Spektrum der hieraus resultierenden meist ebenfalls radioaktiven Tochternuklide stellt ein weiteres Risiko dar, das bei der Wahl der Sicherheitsvorkehrungen berücksichtigt werden muss.^[14]

[Bearbeiten] Wirkung im Körper

Wird Curium mit der Nahrung aufgenommen, so wird es größtenteils innerhalb einiger Tage wieder ausgeschieden und nicht in den Blutkreislauf aufgenommen. Lediglich ein geringer Teil von etwa 0,05 % wird aufgenommen. Von diesen werden etwa 45 % in der Leber deponiert, weitere 45 % werden in die Knochensubstanz eingebaut. Die verbleibenden 10 % werden ebenfalls wieder ausgeschieden. Im Knochen lagert sich Curium insbesondere an der Innenseite der Grenzflächen zum