Curium

Sicherheitshinweise

GHS-Gefahrstoffkennzeichnung

keine Einstufung verfügbar

H- und P-Sätze

H: siehe oben

P: siehe oben

Radioaktivität

Radioaktives Element

Curium ist ein künstlich erzeugtes chemisches Element mit dem Elementsymbol Cm und der Ordnungszahl 96. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt zu den Transuranen. Curium wurde nach den Forschern Marie Curie und Pierre Curie benannt.

Bei Curium handelt es sich um ein radioaktives, silbrig-weißes Metall großer Härte. Es wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 20 g.

Curium wurde im Sommer 1944 erstmals aus dem leichteren Element Plutonium erzeugt, die Entdeckung wurde zunächst nicht veröffentlicht. Erst in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder wurde durch den Entdecker Glenn T. Seaborg als Gast der Sendung die Existenz 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 wird 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 dient auch als α-Strahlenquelle in Röntgenspektrometern, mit denen u.a. die Mars-Rover Sojourner, Spirit und Opportunity auf der Oberfläche des Planeten Mars Gestein chemisch analysieren. Der Lander Philae der Raumsonde Rosetta sollte damit die Oberfläche des Kometen 67P/Tschurjumow-Gerassimenko untersuchen.

Geschichte

Eigenschaften
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Curium, Cm, 96
Elementkategorie	Actinoide
Gruppe, Periode, Block	Ac, 7, f
Aussehen	silbrig-weißes Metall
CAS-Nummer	7440-51-9
Physikalisch
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⁻¹
Wärmeleitfähigkeit	10 W·m⁻¹·K⁻¹ bei 300 K
Chemisch
Oxidationszustände	(+2), +3, +4
Normalpotential	−2,06 V (Cm³⁺ + 3 e⁻ → Cm)
Elektronegativität	1,3 (Pauling-Skala)

Glenn T. Seaborg

60-Inch-Cyclotron

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 Kalifornien in Berkeley. Nach Neptunium und Plutonium war es das dritte seit dem Jahr 1940 entdeckte Transuran. Seine Erzeugung gelang noch vor der des in der Ordnungszahl um einen Platz tiefer stehenden Elements Americium.

Zur Erzeugung des neuen Elements wurden meistens 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 und anschließend wieder mit einer konzentrierten wässrigen Ammoniak-Lösung als Hydroxid ausgefällt; der Rückstand wurde in Perchlorsäure gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mit Ionenaustauschern. In diesen Versuchsreihen entstanden zwei verschiedene Isotope: 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:

${\mathrm {^{{239\!\,}}_{{\ 94}}Pu\ +\ _{{2}}^{{4}}He\ \longrightarrow \ _{{\ 96}}^{{242}}Cm\ +\ _{{0}}^{{1}}n}}$

Die Identifikation gelang zweifelsfrei anhand der charakteristischen Energie des beim Zerfall ausgesandten α-Teilchens. Die Halbwertszeit dieses α-Zerfalls wurde erstmals auf 150 age bestimmt (162,8 d).

${\mathrm {^{{242}}_{{\ 96}}Cm\ \longrightarrow \ _{{\ 94}}^{{238}}Pu\ +\ _{{2}}^{{4}}He}}$

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

${\mathrm {^{{239}}_{{\ 94}}Pu\ +\ _{{2}}^{{4}}He\ \longrightarrow \ _{{\ 96}}^{{240}}Cm\ +\ 3\ _{{0}}^{{1}}n}}$

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

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, der als Gast der Sendung auftrat, 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. 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.

Der Name Curium wurde in Analogie zu Gadolinium gewählt, dem Seltenerdmetall, das im Periodensystem genau über Curium steht. Die Namenswahl ehrte das Ehepaar Marie und Pierre Curie, dessen wissenschaftliche Arbeit für die Erforschung der Radioaktivität bahnbrechend gewesen war. Es folgte damit der Namensgebung von Gadolinium, das nach dem berühmten Erforscher der Seltenen Erden, Johan Gadolin benannt wurde: 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.

Marie Curie
Pierre Curie

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

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 höhere Vorkommen, bedingt durch nukleare Unfälle und andere Kernwaffentests. Zum natürlichen Hintergrund der Erde trägt Curium allerdings kaum bei.

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. Aus Gründen der militärischen Geheimhaltung wurden die Ergebnisse erst später im Jahr 1956 publiziert.

Gewinnung und Darstellung

Gewinnung von Curiumisotopen

Curium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute weltweit lediglich in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung, worauf sein sehr hoher Preis von etwa 160 US-Dollar pro Mikrogramm ²⁴⁴Cm bzw. ²⁴⁸Cm beruht. 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.

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

Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.

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.

${\mathrm {^{{239}}_{{\ 94}}Pu\ {\xrightarrow {2(n,\gamma )}}\ _{{\ 94}}^{{241}}Pu\ {\xrightarrow[ {14,35\ a}]{\beta ^{-}}}\ _{{\ 95}}^{{241}}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{{\ 95}}^{{242}}Am\ {\xrightarrow[ {16,02\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{{\ 96}}^{{242}}Cm}}$

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.

${\mathrm {^{{239}}_{{\ 94}}Pu\ {\xrightarrow {4(n,\gamma )}}\ _{{\ 94}}^{{243}}Pu\ {\xrightarrow[ {4,956\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{{\ 95}}^{{243}}Am\ {\xrightarrow {(n,\gamma )}}\ _{{\ 95}}^{{244}}Am\ {\xrightarrow[ {10,1\ h}]{\beta ^{-}}}\ _{{\ 96}}^{{244}}Cm}}$

${\mathrm {^{{244}}_{{\ 96}}Cm\ {\xrightarrow[ {18,11\ a}]{\alpha }}\ _{{\ 94}}^{{240}}Pu}}$

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.

${\mathrm {^{{A}}_{{96}}Cm\ +\ _{{0}}^{{1}}n\ \longrightarrow \ _{{\ \ 96}}^{{A+1}}Cm\ +\ \gamma }}$

(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 auf Grund seiner langen 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.

${\mathrm {^{{252}}_{{\ 98}}Cf\ {\xrightarrow[ {2,645\ a}]{\alpha }}\ _{{\ 96}}^{{248}}Cm}}$

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.

${\mathrm {^{{249}}_{{\ 97}}Bk\ {\xrightarrow[ {330\ d}]{\beta ^{-}}}\ _{{\ 98}}^{{249}}Cf\ {\xrightarrow[ {351\ a}]{\alpha }}\ _{{\ 96}}^{{245}}Cm}}$

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.

${\ce {CmF3 + 3 Li -> Cm + 3 LiF}}$

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

Eigenschaften

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

Laserinduzierte orange-farbene Fluoreszenz von Cm³⁺-Ionen.

Im Periodensystem steht das Curium mit der Ordnungszahl 96 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Americium, das nachfolgende Element ist das Berkelium. Sein Analogon in der Reihe der Lanthanoiden ist das Gadolinium.

Physikalische Eigenschaften

Curium ist ein 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 (637 °C), Plutonium (639 °C) und Americium (1173 °C). Im Vergleich dazu schmilzt Gadolinium bei 1312 °C. Der Siedepunkt von Curium liegt bei 3110 °C.

Von Curium existiert bei Standardbedingungen mit α-Cm nur eine bekannte Modifikation. Diese kristallisiert im hexagonalen Kristallsystem in der Raumgruppe P6₃/mmc (Raumgruppen-Nr. 194) mit den Gitterparametern a = 365 pm und c = 1182 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. 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 Fm3m (Nr. 225) mit dem Gitterparameter a = 493 pm, 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. 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.

Chemische Eigenschaften

Die stabilste Oxidationsstufe für Curium ist +3. Gelegentlich ist es auch in der Oxidationsstufe +4 zu finden. Sein chemisches Verhalten ähnelt sehr dem Americium und vielen Lanthanoiden. In verdünnten wässrigen Lösungen ist das Cm³⁺-Ion farblos, das Cm⁴⁺-Ion blassgelb. In höher konzentrierten Lösungen ist das Cm³⁺-Ion jedoch ebenfalls blassgelb.

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

Biologische Aspekte

Curium besitzt keine biologische Bedeutung. Die Biosorption von Cm³⁺ durch Bakterien und Archäen wurde untersucht.

Spaltbarkeit

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 aufrechterhalten, wenn auch zum Teil nur mit schneller Spaltung. In einem schnellen Reaktor könnte also jede beliebige Mischung der genannten Isotope als Brennstoff verwendet werden. 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.

Die unten stehende 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. Aufgrund der geringen Verfügbarkeit und des hohen Preises wird Curium aber nicht als Kernbrennstoff eingesetzt und ist daher in § 2 Abs. 1 des Atomgesetzes in Deutschland auch nicht als solcher klassifiziert.

Die ungeradzahligen Curiumisotope, hier wiederum insbesondere ²⁴⁵Cm und ²⁴⁷Cm, könnten ebenso wie für den Reaktorbetrieb auch zum Bau von Kernwaffen eingesetzt werden. Bomben aus ²⁴³Cm wären aber 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.

Isotope

Von Curium existieren nur Radionuklide und keine stabilen Isotope. Insgesamt sind 20 Isotope und 7 Kernisomere des Elements zwischen ²³³Cm und ²⁵²Cm bekannt. 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. 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: 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.

Verwendung

Radionuklidbatterien

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. Aufgrund dieser Radioaktivität gibt es sehr große Wärmemengen ab; ²⁴⁴Cm emittiert 3 Watt/g und ²⁴²Cm sogar 120 Watt/g. 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 ²³⁸Pu mit 87,7 Jahren Halbwertszeit.

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.

Der APXS-Typ von Spirit und Opportunity.

Röntgenspektrometer

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 Gestein chemisch analysierten. Auch der Lander Philae der Raumsonde Rosetta ist mit einem APXS ausgestattet, um die Zusammensetzung des Kometen Tschurjumow-Gerassimenko zu analysieren.

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

Herstellung anderer Elemente

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

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen, die eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt.

Da von Curium nur radioaktive Isotope existieren, darf es selbst sowie seine Verbindungen nur in geeigneten Laboratorien unter speziellen Vorkehrungen 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.

Wirkung im Körper

Wird Curium mit der Nahrung aufgenommen, so wird es größtenteils innerhalb einiger Tage wieder ausgeschieden und lediglich 0,05 % werden in den Blutkreislauf aufgenommen. Von hier werden etwa 45 % in der Leber deponiert, weitere 45 % werden in die Knochensubstanz eingebaut. Die verbleibenden 10 % werden ausgeschieden. Im Knochen lagert sich Curium insbesondere an der Innenseite der Grenzflächen zum Knochenmark an. Die weitere Verbreitung in die Kortikalis findet nur langsam statt.

Bei Inhalation wird Curium deutlich besser in den Körper aufgenommen, weshalb diese Art der Inkorporation bei der Arbeit mit Curium das größte Risiko darstellt. Die maximal zulässige Gesamtbelastung des menschlichen Körpers durch ²⁴⁴Cm (in löslicher Form) beträgt 0,3 µCi.

In Tierversuchen mit Ratten wurde nach einer intravenösen Injektion von ²⁴²Cm und ²⁴⁴Cm ein erhöhtes Auftreten von Knochentumoren beobachtet, deren Auftreten als Hauptgefahr bei der Inkorporation von Curium durch den Menschen betrachtet wird. Inhalation der Isotope führte zu Lungen- und Leberkrebs.

Kernreaktor-Abfallproblematik

In wirtschaftlich sinnvoll (d.h. mit langer Verweildauer des Brennstoffs) genutzten Kernreaktoren entstehen physikalisch unvermeidlich Curiumisotope durch (n,γ)-Kernreaktionen mit nachfolgendem β⁻-Zerfall (siehe auch oben unter Gewinnung von Curiumisotopen). Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 20 g verschiedener Curiumisotope. Darunter befinden sich auch die α-Strahler mit den Massenzahlen 245–248, die auf Grund 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 Curiums wird derzeit die Partitioning-&-Transmutation-Strategie verfolgt. Geplant ist hierbei ein dreistufiger Prozess, in welchem der Kernbrennstoff aufgetrennt, in Gruppen aufgearbeitet und endgelagert werden soll. Im Rahmen dieses Prozesses sollen abgetrennte Curiumisotope durch Neutronenbeschuss in speziellen Reaktoren zu kurzlebigen Nukliden umgewandelt werden. Die Entwicklung dieses Prozesses ist Gegenstand der aktuellen Forschung, wobei die Prozessreife zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht erreicht ist.

Verbindungen und Reaktionen

Oxide

Curium wird leicht von Sauerstoff angegriffen. Von Curium existieren Oxide der Oxidationsstufen +3 (Cm₂O₃) und +4 (CmO₂). Auch das zweiwertige Oxid CmO ist bekannt.

Das schwarze Curium(IV)-oxid kann direkt aus den Elementen dargestellt werden. Hierzu wird metallisches Curium an Luft oder in einer Sauerstoffatmosphäre geglüht. Für Kleinstmengen bietet sich das Glühen von Salzen des Curiums an. Meistens werden hierzu Curium(III)-oxalat (Cm₂(C₂O₄)₃) oder Curium(III)-nitrat (Cm(NO₃)₃) herangezogen.

Aus Curium(IV)-oxid kann das weißliche Curium(III)-oxid durch thermische Zersetzung im Vakuum (ca. 0,01 Pa) bei 600 °C erhalten werden:

${\ce {4 CmO2 ->[\Delta T] 2 Cm2O3 + O2}}$

Ein weiterer Weg ist durch die Reduktion von Curium(IV)-oxid mit molekularem Wasserstoff gegeben:

${\ce {2 CmO2 + H2 -> Cm2O3 + H2O}}$

Weiterhin ist eine Reihe ternärer oxidischer Curiumverbindungen des Typs M(II)CmO₃ bekannt.

Der größte Teil des in freier Natur vorkommenden Curiums (s. Abschnitt "Vorkommen") liegt als Cm₂O₃ und CmO₂ vor.

Halogenide

Von den vier stabilen Halogenen sind Halogenide des Curiums bekannt.

Oxidationszahl	F	Cl	Br	I
+4	Curium(IV)-fluorid CmF₄ braun
+3	Curium(III)-fluorid CmF₃ farblos	Curium(III)-chlorid CmCl₃ farblos	Curium(III)-bromid CmBr₃ farblos	Curium(III)-iodid CmI₃ farblos

Das farblose Curium(III)-fluorid (CmF₃) kann durch Versatz von Cm(III)-haltigen Lösungen mit Fluoridionen erhalten werden. Das tetravalente Curium(IV)-fluorid (CmF₄) ist nur durch die Umsetzung von Curium(III)-fluorid mit molekularem Fluor zugänglich:

${\ce {2 CmF3 + F2 -> 2 CmF4}}$

Eine Reihe komplexer Fluoride der Form M₇Cm₆F₃₁ (M = Alkalimetall) sind bekannt.

Das farblose Curium(III)-chlorid (CmCl₃) kann durch die Reaktion von Curium(III)-hydroxid (Cm(OH)₃) mit wasserfreiem Chlorwasserstoffgas dargestellt werden. Dieses kann genutzt werden, um die weiteren Halogenide, Curium(III)-bromid (hellgrün) und -iodid (farblos), zu synthetisieren. Hierzu wird Curium(III)-chlorid mit dem Ammoniumsalz des Halogenids umgesetzt:

${\ce {CmCl3 + 3 NH4I -> CmI3 + 3 NH4Cl}}$

Chalkogenide und Pentelide

Von den Chalkogeniden sind das Sulfid und das Selenid bekannt. Sie sind durch die Reaktion von gasförmigem Schwefel oder Selen im Vakuum bei erhöhter Temperatur zugänglich.

Die Pentelide des Curiums des Typs CmX sind für die Elemente Stickstoff, Phosphor, Arsen und Antimon dargestellt worden. Ihre Herstellung kann durch die Reaktion von entweder Curium(III)-hydrid (CmH₃) oder metallischem Curium mit diesen Elementen bei erhöhter Temperatur bewerkstelligt werden.

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 Americium dargestellt. Das MO-Schema legt nahe, dass eine entsprechende Verbindung (η⁸-C₈H₈)₂Cm, ein Curocen, synthetisiert werden kann, was jedoch bisher nicht gelang.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de