Im Jahre 1950 wurde Californium erstmals von den amerikanischen Forschern S.G. THOMPSON. KENNETH STREET Jr., ALBERT GHIORSO und GLENN T. SEABORG künstlich hergestellt und eindeutig nachgewiesen. Das erste Isotop des Elements 98 erhielten sie durch Beschuss von Atomkernen des Cm-Isotops Cm mit beschleunigten Helium-Kernen der Energie 35 MeV. Sie erhielten nur knapp Atome des Elements 98 bei dieser Reaktion.
- In den 1980er-Jahren wurde die Produktion in das ORNL verlagert, wo seit 1986 der Großteil des globalen Bedarfs an 252Cf gedeckt wird.
- Es entsteht durch zweimaligen β-Zerfall aus 249Cm – das erste Curiumisotop, welches einen β-Zerfall eingeht (Halbwertszeit 64,15 min[5]).
- Dabei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, wodurch dem Neutronenüberschuss abgeholfen wird.
Wenn es mit Luft und Feuchtigkeit in Berührung kommt, oxidiert es schnell. Es wurde erstmals 1950 von amerikanischen Wissenschaftlern synthetisiert, als sie ein 242Cm-Target in einem Zyklotron mit einem Strahl von Alphateilchen beschossen. Cm ist das Symbol von Curium; 242Cm ist das am häufigsten eingesetzte Isotop dieses Elements.
Die Californium-Fraktion wurde in der Californium Facility weiter gereinigt und zur Herstellung der 252Cf-Neutronenquellen verwendet. Die leichteren Actinoide, darunter erhebliche Anteile an Americium und Curium, wurden für die Herstellung neuer Stäbe für die nächste Kampagne verwendet. Nach vielen Wiederholungen enthielten die Recycling-Stäbe hauptsächlich 244Cm mit signifikanten Anteilen an 246Cm bei reduziertem Americium-Gehalt und benötigten weniger als ein Jahr Bestrahlungsdauer für die Californium-Produktion. Ein Übersichtsartikel zur Herstellung von 252Cf beziffert die mittlere jährliche Produktionsmenge an 252Cf auf ca.
Die Herstellung geschieht meist durch eine Kette von Neutroneneinfängen von Plutonium und Zerfällen in Kernreaktoren, die über Berkelium zu den Californiumisotopen führen. Californium(IV)-fluorid (CfF4) ist ein hellgrüner Feststoff und kristallisiert entsprechend dem monoklinen UF4-Typ.[64] Californium(IV)-fluorid gibt beim Erhitzen elementares Fluor ab. 249Cf ist das erste Isotop des Californiums, das auf diese Weise gebildet werden kann. Es entsteht durch zweimaligen β-Zerfall aus 249Cm – das erste Curiumisotop, welches einen β-Zerfall eingeht (Halbwertszeit 64,15 min[5]).
Californium
Das reichte aber, das Isotop 2 4 5Cf mit der Halbwertszeit eindeutig zu identifizieren. Das Element erhielt zu Ehren der Universität und des Staates Kalifornien den Namen «Californium» mit dem chemischen Symbol «Cf. Californium wird in der Ölindustrie unter anderem in Neutronen-Feuchtigkeitsmessgeräten verwendet, die zur Identifizierung von Öl- und Wasserschichten in Bohrlöchern eingesetzt werden. Californium wird auch in der chemischen Analyse durch Neutronenaktivierung eingesetzt. Mit dieser Methode können selbst kleinste Spuren von Verbindungen nachgewiesen werden können.
Ein Zyklotron ist ein Gerät, mit dem geladene Elementarteilchen beschleunigt werden. Durch dieses Verfahren wurde das Isotop 244 von Californium gewonnen. Es wird in allen Anwendungen als Neutronenquelle verwendet (1 µg strahlt pro Minute 170 Millionen Neutronen ab). Es stehen dadurch mobile und tragbare Neutronenquellen zur Verfügung.
Isotope
Dabei wandelt sich ein Neutron in ein Proton um, wodurch dem Neutronenüberschuss abgeholfen wird. So kann etwa 249Cm (siehe Curium) kaum durch den Einfang eines weiteren Neutrons in 250Cm übergehen, weil die Halbwertszeit des reinen β-Strahlers 249Cm nur knapp über einer Stunde liegt. Auch 239U zerfällt zu 100 % durch β−-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 23,45 Minuten und bildet das Neptunium-Isotop 239Np.
Californium ist ein Transuran und wurde zum ersten Mal an der University of California in Berkeley von Stanley Thompson, Kenneth Street, Jr., Albert Ghiorso und Glenn T. Seaborg erzeugt. Letzteres wird hierzu mit einer Neutronenquelle, die einen hohen Neutronenfluss besitzt, bestrahlt. Die hierbei möglichen Neutronenflüsse sind um ein Vielfaches höher als in einem Kernreaktor. 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.
Bereits die ersten Mikrogramm-Mengen an 252Cf, die im Rahmen der Grundlagenforschung hergestellt und untersucht wurden, enthüllten das Anwendungspotential dieses Isotops als Neutronenquelle. Aufgrund einer Marktanalyse begann man in den 1960er-Jahren im Savannah River Laboratory (SRL) mit der Fabrikation von 252Cf-Neutronenquellen. 2,4 Millionen Neutronen und verliert mit einer Halbwertszeit von 2,645 Jahren nur wenig mehr als 2 % Intensität pro Monat. Die zylindrischen Kapseln, die das radioaktive Material enthalten, sind ca. 1 cm dick und 5 cm lang, können bis zu 50 mg 252Cf enthalten und sind mit Strahlungsintensitäten von ca. In den 1980er-Jahren wurde die Produktion in das ORNL verlagert, wo seit 1986 der Großteil des globalen Bedarfs an 252Cf gedeckt wird.
In anderen Projekten
Es wurde im Februar 1950 erstmals aus dem leichteren Element Curium erzeugt. Anwendung findet es vor allem für mobile und tragbare Neutronenquellen, aber auch zur Erzeugung höherer Transurane und Transactinoide. In dieser Folge von Kernreaktionen können nur längerlebige Atomkerne so lange Neutronen aufnehmen, bis sie wegen eines Neutronenüberschusses instabil gegen β−-Zerfall werden.
Es liegt in seinen Verbindungen meist in der Oxidationsstufe III, selten in den in wässrigen Lösungen nicht beständigen Stufen II oder IV vor. Es zerfällt zum Teil durch Spontanspaltung;[5] 1 µg strahlt dabei pro Sekunde 2,314 Millionen Neutronen ab.[48] Es wird daher ausschließlich für mobile, tragbare und dabei starke Neutronenquellen eingesetzt; hierzu wird es in Form von Californium(III)-oxid (Cf2O3) bereitgestellt. Die Massenzahlen der zwanzig bekannten Californium-Isotope bilden eine lückenlose Reihe von 237 bis 256 mit Halbwertszeiten zwischen 21 Millisekunden (238Cf) und 898 Jahren (251Cf).
Die gesundheitlichen Auswirkungen von Californium
Das durch eine weitere (n,γ)-Reaktion gebildete 244Am zerfällt wiederum durch β-Zerfall mit einer Halbwertszeit von 10,1 Stunden letztlich zu 244Cm. Aus 244Cm entstehen durch weitere (n,γ)-Reaktionen im Reaktor in jeweils kleiner werdenden Mengen die nächstschwereren Isotope. 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.
Das Californium-Atom
Außerdem existiert ein angeregtes Isomer 246m1Cf mit einer Halbwertszeit von 45 Nanosekunden. Α-Zerfall ist der häufigste Zerfallsweg vieler Californium-Isotope vom leichtesten Isotop 237Cf (30 %) bis zum 252Cf (96,91 %), während α-Zerfall bei 247Cf (0,04 %), 253Cf und 254Cf (je 0,31 %) weniger als 1 % der Zerfallsereignisse ausmacht und bei den schwersten Isotopen 255Cf und 256Cf keine Rolle spielt. Spontanspaltung ist signifikant bei Californium-Isotopen der Massenzahlen 237 (70 %), 238 (100 %), 240 (1,5 %), 246m1 (100 %), 250 (0,08 %), 252 (3,09 %), 254 (99,69 %) und 256 (100 %). Die Spontanspaltung ist entscheidend für Anwendungen des Isotops 252Cf, weil bei jeder Spontanspaltung eines solchen Kerns drei oder noch häufiger vier Neutronen freigesetzt werden, was 252Cf zu einer äußerst ergiebigen Neutronenquelle macht. Californium ist das sechse transuranische Element, das entdeckt wurde. Transuranisch bedeutet, dass es aus Uran oder anderen Elementen mit hoher Ordnungszahl hergestellt werden kann.
Für die Californium-Produktionscyclen wurden jeweils zehn Stäbe mit insgesamt ca. 100 g Actinoid-Ausgangsmaterialien in den HFIR eingebracht, wo sie einem Fluss thermischer Neutronen von 1014 s−1 cm−2 ausgesetzt wurden. Danach wurden die Stäbe ins REDC zurückgebracht, gelöst und aufgetrennt.
Während die Bildung von 239Pu aus 238U im Tonnenmaßstab alljährlich in herkömmlichen Atomreaktoren erfolgt, erfordern die Folgereaktionen einen wesentlich höheren Neutronenfluss, wie z. Die 1015 Neutronen pro Sekunde und Quadratzentimeter des High Flux Isotope Reactors (HFIR) im Oak Ridge National Laboratory (ORNL), USA. Californium ist ein künstliches, radioaktives, silberweißes Schwermetall der Gruppe der Actinoide. Element dieser Gruppe kann in Milligramm – Mengen (242Cf) durch Reduktion des Oxides, Cf2O3, mit Lanthan hergestellt werden.
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. Das Isotop 252Cf zerfällt bei einer Halbwertszeit von 2,645 Jahren zu 96,908 %[5] durch α-Zerfall, aber auch zu 3,092 %[5] durch Spontanspaltung.[13][14][15] Bei der Spontanspaltung werden pro zerfallendem Kern im Mittel 3,77 Neutronen emittiert.[16][17] Es wird daher als Neutronenquelle verwendet. Eine gewisse praktische Bedeutung besitzt das Element in Form des Isotops Californium-252, das in verschiedenen Bereichen als Neutronenquelle eingesetzt wird (siehe dort). Californium dient fast ausschließlich zu Forschungszwecken, zur Herstellung von schwereren Transuranen und wird in der Nuklearmedizin eingesetzt. Als hochradioaktives Element und starker Neutronenstrahler muss Californium mit großer Vorsicht behandelt werden.
Californium ist ein synthetisches chemisches Element mit dem Symbol Cf und der Ordnungszahl 98. Im Periodensystem der Elemente gehört es zur Gruppe der Actinoide. Halogenide sind für die Oxidationsstufen +2, +3 und +4 bekannt.[60] Die stabilste Stufe +3 ist für sämtliche Verbindungen von Fluor bis Iod bekannt und auch in wässriger Lösung stabil. Die zwei- und vierwertige Stufe ist nur in der festen Phase stabilisierbar. Im Oktober 2006 wurde bekanntgegeben, dass durch den Beschuss von 249Cf mit 48Ca das bisher schwerste Element Oganesson (Element 118) erzeugt wurde,[54] nachdem eine früher bekanntgegebene Entdeckung wieder zurückgezogen worden war. Californium erhält man durch Reduktion von Californium(III)-oxid mit Lanthan oder Thorium oder von Californium(III)-fluorid mit Lithium oder Kalium.
Entsprechende Oxidationsversuche mit Ammoniumperoxodisulfat beziehungsweise Natriumbismutat zeigten, dass entweder höhere Oxidationsstufen in wässrigen Lösungen nicht stabil sind oder eine Oxidation selbst zu langsam verläuft. Die Probenvorbereitung erfolgte zunächst durch Auftragen von Curiumnitratlösung (mit dem Isotop 242Cm) auf eine Platinfolie von etwa 0,5 cm2; die Lösung wurde eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid (CmO2) geglüht.
In Kernreaktoren entstehen vor allem die langlebigen α-strahlenden Isotope 249Cf und 251Cf. Sie zählen wegen ihrer langen Halbwertszeit zum Transuranabfall und sind bei der Endlagerung besonders problematisch. Californiumisotope kommen auf der Erde wegen ihrer im Vergleich zum Alter der Erde zu geringen Halbwertszeit nicht natürlich vor. Die Experimente zeigten ferner, dass nur die Oxidationsstufe +3 zu erwarten war.