Polonium ist ein radioaktives chemisches Element mit dem Elementsymbol Po und der Ordnungszahl 84. Im Periodensystem steht es in der 6. Hauptgruppe, bzw. der 16. IUPAC-Gruppe, wird also den Chalkogenen zugeordnet. Das häufigste in der Natur vorkommende Isotop Po-210 findet sich als vorletztes Glied der Zerfallsreihe von Uran-238 in uranhaltigen Mineralien, inzwischen wird jedoch Polonium für technische oder wissenschaftliche Anwendungen hauptsächlich durch Einwirkung von Neutronenstrahlung auf Bismut-209 erzeugt, da die Extraktion aus natürlichen Materialien zu aufwendig ist. Polonium gilt allgemein als „hochgiftig“, da bereits eine Dosis von einem Mikrogramm tödlich sein kann. Es ist bekannt als Einsatzmittel bei der Ermordung von Alexander Litwinenko.
Geschichte Polonium wurde 1898 von Marie und Pierre Curie entdeckt. Sie untersuchten Pechblende und entdeckten, dass diese eine höhere Radioaktivität aufwies als Uransalze, also eine unbekannte, stärker strahlende Substanz enthalten muss. Als sie die Pechblende chemisch zerlegten, konnten sie die Radioaktivität zu einer bismuthaltigen Fraktion verfolgen und als stark strahlendes Sulfid isolieren. Die Trennung vom Bismut gelang jedoch nicht. Trotzdem waren sie überzeugt, dass hier ein neues Element vorhanden war und nannten es nach Polen, der Heimat von Marie Curie, Polonium.Pierre Curie, Marie Curie: Sur une substance nouvelle radio-active, contenue dans la pechblende. In: Comptes Rendus. 127, 1898, S. 175–178 ().Bogdan Skwarzec, Alicja Boryło, J. Wieczorek, Klaudia Lanczewska: Polonium on the 125th anniversary of its discovery: its chemistry, radiotoxicity and application. In: Journal of Environmental Radioactivity. 2023, Band 268–269, S. 107259 . Kurze Zeit später konnten sie aus einer bariumhaltigen Fraktion auch das Radium isolieren.
Friedrich Giesel bemerkte, dass die Radioaktivität des Poloniums im Gegensatz zu der des Radiums nach kurzer Zeit deutlich abnahm. Diese durch die kurze Halbwertszeit des entdeckten Isotops 210Po bedingte Eigenschaft deutete er so, dass es sich um Bismut handele, dem Radioaktivität induziert wurde und dann abnahm. 1902 untersuchte Willy Marckwald bismuthaltige Rückstände der Pechblendeverarbeitung aus St. Joachimsthal. Er isolierte einige Gramm radioaktiven Bismutchlorides und führte eine Elektrolyse durch. Dabei bildete sich ein metallischer, stark radioaktiver Überzug auf der Elektrode, während die bismuthaltige Lösung keine Radioaktivität mehr zeigte. Damit war Giesels Vermutung widerlegt, es musste sich um ein unbekanntes radioaktives Element handeln.W. Marckwald: Ueber das radioactive Wismuth (Polonium). In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1902, Band 35, Nummer 2, S. 2285–2288 . Marckwald fand noch eine bessere Trennungsmöglichkeit, in dem er zu einer Bismutchloridoxid-Lösung Zinn(II)-chlorid hinzugab und sich ein schwarzbrauner Niederschlag bildete. Dieser war zwar sehr viel kleiner als bei der Elektrolyse, strahlte aber stärker und war somit reiner. Die von ihm bestimmten Eigenschaften des Metalls ähnelten stark denen des Tellurs und so nannte Marckwald die von ihm gefundene Substanz vorläufig Radiotellur.W. Marckwald: Ueber den radioactiven Bestandtheil des Wismuths aus Joachimsthaler Pechblende. In: Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft. 1902, Band 35, Nummer 4, S. 4239–4240 .
Zur gleichen Zeit beobachtete Ernest Rutherford den radioaktiven Zerfall des Radiums (226Ra) und die dabei ablaufende Zerfallsreihe. Er benannte die entstandenen Tochterisotope systematisch Radium A-F. Dabei war Radium F ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von etwa 140 Tagen.E. Rutherford: Die Radioaktivität. Springer, 1907, ISBN 978-3-642-51417-3, S. 415–417. In der Folge entstand eine Diskussion, ob nun Polonium, Radium F und Radiotellur das gleiche Element sind oder nicht.Polonium and Radio-Tellurium. In: Nature. 1906, Band 73, Nummer 1901, S. 549 . Rutherford konnte nachweisen, dass die Halbwertszeit von Radium F und die von Marckwald für Radiotellur gemesseneW. Marckwald: Über Radiotellur und Polonium. In: Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik. Band 2, Heft 2, 1905, S. 133–142 (). identisch sind, also das gleiche Isotop sein müssen.E. Rutherford: Slow Transformation Products of Radium. In: Nature. 1905, Band 71, Nummer 1841, S. 341–342 . Endgültig wurde die Diskussion 1906 von Marie Curie entschieden, als sie die Halbwertszeit des Poloniums genauer bestimmte und auch diese identisch mit der Halbwertszeit des Radiotellurs war.Marie Curie: Sur la diminuation de la radioactivité du polonium avec le temps. In: Comptes Rendus. 142, 1906, S. 273–276 ().Stefan Meyer, Egon Schweidler: Radioaktivität. 2. Auflage, Teubner, 1927, ISBN 978-3-663-15835-6, S. 453.
Größere Mengen Polonium wurden erstmals 1943 im Rahmen des Manhattan-Projektes zur Entwicklung der ersten Atombombe benötigt. Polonium diente zusammen mit Beryllium als Neutroneninitiator zum Zünden der Bomben. Treffen Alphastrahlen des Poloniums auf das Beryllium, setzt dieses Neutronen frei und die Kettenreaktion startet.Bruce Cameron Reed: The Physics of the Manhattan Project. 3. Auflage, Springer, 2015, ISBN 978-3-662-43533-5, S. 142–143. Um die benötigten größeren Mengen Polonium zu gewinnen, wurde das Dayton-Projekt in Dayton (Ohio) initiiert. Zunächst wurde das Polonium aus Radioblei (210Pb-haltiges radioaktives Blei, in dem 210Pb zu 210Po zerfällt) extrahiert, das bei der Uranaufarbeitung übrig blieb. Deutlich effektiver konnte Polonium schließlich durch Bestrahlung von Bismut mit Neutronen im Reaktor X-10 im Oak Ridge National Laboratory gewonnen werden.H.V. Moyer: Polonium. United States Atomic Energy Commission Technical Information Service Extention, Oak Ridge, Tennessee, 1955, S. 5–6, .
Vorkommen Polonium ist eines der seltensten Elemente auf der Erde, sein Anteil an der kontinentalen Erdkruste beträgt nur etwa 2 · 10−10 ppm. Unter den natürlich vorkommenden Elementen sind nur einige andere radioaktive Elemente wie Plutonium, Francium oder Astat seltener. Es kommen insgesamt sieben Isotope in verschiedenen Zerfallsreihen vor. 210Po, 214Po und 218Po in der Uran-Radium-Reihe, 212Po und 216Po in der Thorium-Reihe sowie 211Po und 215Po in der Uran-Actinium-Reihe. Von diesen hat jedoch nur 210Po eine längere Halbwertszeit von 138,4 Tagen, so dass nur dieses in der Umwelt eine Rolle spielt.P. Thakur, A. L. Ward: 210Po in the environment: insight into the naturally occurring polonium isotope. In: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. Band 323, 2020, S. 27–49.
Das Element findet sich vorwiegend in Uranerzen, der Gehalt einer Tonne Uranerz beträgt 0,064 mg Polonium.
Polonium kommt in Spuren weitverbreitet in der Umwelt vor. Dies liegt daran, dass unter anderem viele Böden geringe Mengen Uran (vor allem 238U) enthalten. Dieses zerfällt über 226Ra zum Radonisotop 222Rn. Radon ist ein Edelgas und darum sehr mobil und kann auch in die Atmosphäre gelangen. 222Rn zerfällt weiter zum relativ langlebigen 210Pb (Halbwertszeit 22 Jahre) und schließlich über 210Bi zu 210Po. Blei und Polonium fallen aus der Atmosphäre aus und gelangen so auf Pflanzen und verteilen sich im Boden.Martin Steiner, Lydia Hiersche, Angela Poppitz-Spuhler, Frank Ridder: Tabakrauch – die tägliche Dosis Polonium-210. In: UmweltMedizinischer InformationsDienst. Band 1, 2007, S. 18–21 (online, pdf). Außer durch Radon gelangt Polonium auch durch atmosphärischem Staub, in geringeren Mengen auch durch Vulkanausbrüche, Waldbrände, die Verbrennung fossiler Treibstoffe und Meeressalz-Aerosole in die Atmosphäre. Auch TENORM-Rückstände wie Phosphorgips enthalten Polonium. Ein einzelnes Ereignis, bei dem große Mengen Polonium freigesetzt wurden, war der Windscale-Brand 1957 (etwa 42 TBq 210Po).
In Böden wurden unterschiedlich starke Polonium-Aktivitäten gemessen. Besonders hohe Aktivitäten fanden sich in Studien bei Bodenproben aus der Türkei mit durchschnittlich 330 Bq/kg oder Deutschland mit 120 Bq/kg. Der weltweite Durchschnitt der Bodenbelastung mit 210Po liegt bei 60 Bq/kg. Auch Pflanzen können Polonium enthalten. Dabei weisen mehrjährige, langsamwachsende Pflanzen, die viele Nährstoffe aus Aerosolen aufnehmen, wie Moose und Flechten, eine deutlich höhere Poloniumbelastung auf als Pilze oder Gefäßpflanzen.Bertil R. R. Persson: Polonium in Terrestrial Environment. In: Robert H. Kretsinger, Vladimir N. Uversky, Eugene A. Permyakov (Hrsg.): Encyclopedia of Metalloproteins. Springer, 2013, ISBN 978-1-4614-1533-6, S. 1760–1771.
Eine für Menschen relevante Poloniumbelastung ist die des Tabaks. Dieser nimmt Blei und Polonium über die Blätter auf, wobei besonders die Trichome Metalle akkumulieren. Das mitaufgenommene 210Pb bewirkt eine stetige Nachproduktion an 210Po. Auch der Einfluss radiumhaltigen Calciumphosphat-Düngers wird diskutiert. Beim Rauchen von Tabakprodukten entstehen hohe Temperaturen, wodurch Polonium in die Gasphase übergeht, sich aber bald an lungengängigen, 0,1 bis 0,4 μm großen Aerosolen anreichert. Dadurch gelangt der Alphastrahler 210Po in die Lunge, was eine deutlich erhöhte Strahlenexposition von Rauchern bewirkt und eine wichtige Ursache für die Entstehung von Lungenkrebs ist.Vincenzo Zaga, Charilaos Lygidakis: Polonium and Cancer. In: Robert H. Kretsinger, Vladimir N. Uversky, Eugene A. Permyakov (Hrsg.): Encyclopedia of Metalloproteins. Springer, 2013, ISBN 978-1-4614-1533-6, S. 1753–1760.
Gewinnung und Darstellung Die bei der Entdeckung genutzten Methoden, Polonium durch die Zerlegung von Pechblende oder anderen natürlichen Uranerzen zu extrahieren, ist auf Grund der geringen Mengen an enthaltenem Polonium wirtschaftlich nicht relevant. Stattdessen wird das Element und insbesondere 210Po künstlich erzeugt. Dazu wird in Kernreaktoren ein Neutronenstrom erzeugt und damit eine Bismutfolie beschossen. Dabei entsteht aus dem 209Bi der Folie 210Bi, das mit einer Halbwertszeit von 5,012 Tagen zu 210Po zerfällt. Jährlich werden weltweit etwa 100 g 210Po erzeugt.Ali Younes, Cyrille Alliot, Jafar Sunga Ali, Anne-Cécile Bonraisin, Marcel Mokili, Steffen Happel, Aude Bombard, Ferid Haddad, Gilles Montavon: Production of polonium from bismuth and purification using TBP resin and Sr resin. In: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. Band 324, 2020, S. 823–828, . Je nach Energiebereich der Neutronen können so auch 208Po und 209Po produziert werden.Ozan Artun: Production of Polonium-208, 209 and 210 for use in nuclear battery via particle accelerator. In: Applied Physics A. Band 126, 2020, Artikel 386, .
Ebenfalls möglich ist der Beschuss von Bismut mit Alphateilchen, die in einem Cyclotron erzeugt werden. Dabei entsteht 210At, das mit einer Halbwertszeit von 8,1 h ebenfalls zu 210Po zerfällt.
Nach der Erzeugung muss das Polonium von Bismut getrennt werden. Hierzu können verschiedene Techniken wie Destillation, Elektroabscheidung, Ionenaustausch oder Extraktionsverfahren, etwa mit Tri-n-butyl-phosphat als Extraktionsmittel genutzt werden.