Berkelium ist ein künstlich erzeugtes chemisches Element mit dem Elementsymbol Bk und der Ordnungszahl 97. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Berkelium wurde nach der Stadt Berkeley in Kalifornien benannt, in der es entdeckt wurde. Bei Berkelium handelt es sich um ein radioaktives Metall mit einem silbrig-weißen Aussehen. Es wurde im Dezember 1949 erstmals aus dem leichteren Element Americium erzeugt. Es entsteht in geringen Mengen in Kernreaktoren. Seine Anwendung findet es vor allem zur Erzeugung höherer Transurane und Transactinoide.
Geschichte mini|links|hochkant|Glenn T. Seaborg mini|links|hochkant|60-Zoll-Zyklotron mini|links|hochkant|Universität von Kalifornien, Berkeley So wie Americium (Ordnungszahl 95) und Curium (96) in den Jahren 1944 und 1945 nahezu zeitgleich entdeckt wurden, erfolgte in ähnlicher Weise in den Jahren 1949 und 1950 die Entdeckung der Elemente Berkelium (97) und Californium (98).
Die Experimentatoren Glenn T. Seaborg, Albert Ghiorso und Stanley G. Thompson stellten am 19. Dezember 1949 die ersten Kerne im 60-Zoll-Zyklotron der Universität von Kalifornien in Berkeley her. Es war das fünfte Transuran, das entdeckt wurde. Die Entdeckung wurde zeitgleich mit der des Californiums veröffentlicht.S. G. Thompson, A. Ghiorso, G. T. Seaborg: Element 97; in: Physical Review, 1950, 77 (6), S. 838–839 (doi:10.1103/PhysRev.77.838.2).S. G. Thompson, A. Ghiorso, G. T. Seaborg: The New Element Berkelium (Atomic Number 97); in: Physical Review, 1950, 80 (5), S. 781–789 (doi:10.1103/PhysRev.80.781; Maschinoskript (26. April 1950) (PDF; 1,8 MB)).Stanley G. Thompson, Glenn T. Seaborg: Chemical Properties of Berkelium (doi:10.2172/932812; Abstract; Maschinoskript (24. Februar 1950)).S. G. Thompson, B. B. Cunningham, G. T. Seaborg: Chemical Properties of Berkelium; in: J. Am. Chem. Soc., 1950, 72 (6), S. 2798–2801 (doi:10.1021/ja01162a538).
Die Namenswahl folgte naheliegenderweise einem gemeinsamen Ursprung: Berkelium wurde nach dem Fundort, der Stadt Berkeley in Kalifornien, benannt. Die Namensgebung folgt somit wie bei vielen Actinoiden und den Lanthanoiden: Terbium, das im Periodensystem genau über Berkelium steht, wurde nach der schwedischen Stadt Ytterby benannt, in der es zuerst entdeckt wurde: It is suggested that element 97 be given the name berkelium (symbol Bk) after the city of Berkeley in a manner similar to that used in naming its chemical homologue terbium (atomic number 65) whose name was derived from the town of Ytterby, Sweden, where the rare earth minerals were first found. Für das Element 98 wählte man den Namen Californium zu Ehren der Universität und des Staates Kalifornien.
Als schwerste Schritte in der Vorbereitung zur Herstellung des Elements erwiesen sich die Entwicklung entsprechender chemischer Separationsmethoden und die Herstellung ausreichender Mengen an Americium für das Target-Material.
Die Probenvorbereitung erfolgte zunächst durch Auftragen von Americiumnitratlösung (mit dem Isotop 241Am) auf eine Platinfolie; die Lösung wurde eingedampft und der Rückstand dann zum Oxid (AmO2) geglüht.
Nun wurde diese Probe im 60-Zoll-Zyklotron mit beschleunigten α-Teilchen mit einer Energie von 35 MeV etwa 6 Stunden beschossen. Dabei entsteht in einer sogenannten (α,2n)-Reaktion 243Bk sowie zwei freie Neutronen:
Nach dem Beschuss im Zyklotron wurde die Beschichtung mittels Salpetersäure gelöst und erhitzt, anschließend wieder mit einer konzentrierten wässrigen Ammoniak-Lösung als Hydroxid ausgefällt und abzentrifugiert; der Rückstand wurde wiederum in Salpetersäure gelöst.
Um die weitgehende Abtrennung des Americiums zu erreichen, wurde diese Lösung mit einem Gemisch von Ammoniumperoxodisulfat und Ammoniumsulfat versetzt und erhitzt, um vor allem das gelöste Americium auf die Oxidationsstufe +6 zu bringen. Nicht oxidiertes restliches Americium wurde durch Zusatz von Flusssäure als Americium(III)-fluorid ausgefällt. Auf diese Weise werden auch begleitendes Curium als Curium(III)-fluorid und das erwartete Element 97 (Berkelium) als Berkelium(III)-fluorid ausgefällt. Dieser Rückstand wurde durch Behandlung mit Kalilauge zum Hydroxid umgewandelt, welches nach Abzentrifugieren nun in Perchlorsäure gelöst wurde.
mini|links|hochkant|Elutionskurven: chromatographische Trennung von Tb, Gd, Eu sowie Bk, Cm, Am. Die weitere Trennung erfolgte in Gegenwart eines Citronensäure/Ammoniumcitrat-Puffers im schwach sauren Medium (pH ≈ 3,5) mit Ionenaustauschern bei erhöhter Temperatur.
Die chromatographische Trennung konnte nur aufgrund vorheriger Vergleiche mit dem chemischen Verhalten der entsprechenden Lanthanoide gelingen. So tritt bei einer Trennung das Terbium vor Gadolinium und Europium aus einer Säule. Falls das chemische Verhalten des Berkeliums dem eines Eka-Terbiums ähnelt, sollte das fragliche Element 97 daher in dieser analogen Position zuerst erscheinen, entsprechend vor Curium und Americium.
Der weitere Verlauf des Experiments brachte zunächst kein Ergebnis, da man nach einem α-Teilchen als Zerfallssignatur suchte. Erst die Suche nach charakteristischer Röntgenstrahlung und Konversionselektronen als Folge eines Elektroneneinfangs brachte den gewünschten Erfolg. Das Ergebnis der Kernreaktion wurde mit 243Bk angegeben, obwohl man anfänglich auch 244Bk für möglich hielt.
Im Jahr 1958 isolierten Burris B. Cunningham und Stanley G. Thompson erstmals wägbare Mengen, die durch langjährige Neutronenbestrahlung von 239Pu in dem Testreaktor der National Reactor Testing Station in Idaho erzeugt wurden.S. G. Thompson, B. B. Cunningham: First Macroscopic Observations of the Chemical Properties of Berkelium and Californium, supplement to Paper P/825 presented at the Second International Conference of Peaceful Uses Atomic Energy, Geneva, 1958.
Isotope Von Berkelium existieren nur Radionuklide und keine stabilen Isotope. Insgesamt sind 12 Isotope und 5 Kernisomere des Elements bekannt. Die langlebigsten sind 247Bk (Halbwertszeit 1380 Jahre), 248Bk (9 Jahre) und 249Bk (330 Tage). Die Halbwertszeiten der restlichen Isotope liegen im Bereich von Millisekunden bis Stunden oder Tagen.G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties; in: Nuclear Physics A, 2003, 729 (1), S. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (PDF; 1,0 MB).
Nimmt man beispielhaft den Zerfall des langlebigsten Isotops 247Bk heraus, so entsteht durch α-Zerfall zunächst das langlebige 243Am, das seinerseits durch erneuten α-Zerfall in 239Np übergeht. Der weitere Zerfall führt dann über 239Pu zum 235U, dem Beginn der Uran-Actinium-Reihe (4 n + 3).
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.
→ Liste der Berkeliumisotope
Vorkommen Berkeliumisotope kommen auf der Erde wegen ihrer im Vergleich zum Alter der Erde zu geringen Halbwertszeit nicht natürlich vor.
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, darunter das 249Bk, das durch den β-Zerfall in 249Cf übergeht. Aus Gründen der militärischen Geheimhaltung wurden die Ergebnisse erst später im Jahr 1956 publiziert.P. R. Fields, M. H. Studier, H. Diamond, J. F. Mech, M. G. Inghram, G. L. Pyle, C. M. Stevens, S. Fried, W. M. Manning (Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois); A. Ghiorso, S. G. Thompson, G. H. Higgins, G. T. Seaborg (University of California, Berkeley, California): Transplutonium Elements in Thermonuclear Test Debris; in: Physical Review, 1956, 102 (1), S. 180–182 (doi:10.1103/PhysRev.102.180).
In Kernreaktoren entsteht vor allem das Berkeliumisotop 249Bk, es zerfällt bereits während der Zwischenlagerung (vor der Endlagerung) fast komplett zum Californiumisotop 249Cf mit 351 Jahren Halbwertszeit. Dieses zählt zum Transuranabfall und ist daher in der Endlagerung unerwünscht.
Gewinnung und Darstellung Berkelium wird durch Beschuss von leichteren Actinoiden mit Neutronen in einem Kernreaktor erzeugt. Die Hauptquelle ist der 85 MW High-Flux-Isotope Reactor (HFIR) am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, USA, der auf die Herstellung von Transcuriumelementen (Z > 96) eingerichtet ist.High Flux Isotope Reactor, Oak Ridge National Laboratory; abgerufen am 23. September 2010.
Gewinnung von Berkeliumisotopen Berkelium entsteht in Kernreaktoren aus Uran (238U) oder Plutonium (239Pu) durch zahlreiche nacheinander folgende Neutroneneinfänge und β-Zerfälle – unter Ausschluss von Spaltungen oder α-Zerfällen.S. G. Thompson, A. Ghiorso, B. G. Harvey, G. R. Choppin: Transcurium Isotopes Produced in the Neutron Irradiation of Plutonium; in: Physical Review, 1954, 93 (4), S. 908–908 (doi:10.1103/PhysRev.93.908).
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 239Pu gebildet. In Brutreaktoren wird dieser Prozess zum Erbrüten neuen Spaltmaterials genutzt.
Bei den angegebenen Zeiten handelt es sich um Halbwertszeiten.
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 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. Aus 244Cm entstehen durch weitere (n,γ)-Reaktionen im Reaktor in jeweils kleiner werdenden Mengen die nächst schwereren Isotope.
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.
249Bk ist das einzige Isotop des Berkeliums, das auf diese Weise gebildet werden kann. Es entsteht durch β-Zerfall aus 249Cm – das erste Curiumisotop, welches einen β-Zerfall eingeht (Halbwertszeit 64,15 min).
Durch Neutroneneinfang entsteht zwar aus 249Bk auch das 250Bk, dies zerfällt aber schon mit einer Halbwertszeit von 3,212 Stunden durch β-Zerfall zu 250Cf.L. B. Magnusson, M. H. Studier, P. R. Fields, C. M. Stevens, J. F. Mech, A. M. Friedman, H. Diamond, J. R. Huizenga: Berkelium and Californium Isotopes Produced in Neutron Irradiation of Plutonium; in: Physical Review, 1954, 96 (6), S. 1576–1582 (doi:10.1103/PhysRev.96.1576).T. A. Eastwood, J. P. Butler, M. J. Cabell, H. G. Jackson (Atomic Energy of Canada Limited, Chalk River, Ontario, Canada); R. P. Schuman, F. M. Rourke, T. L. Collins (Knolls Atomic Power Laboratory, Schenectady, New York): Isotopes of Berkelium and Californium Produced by Neutron Irradiation of Plutonium; in: Physical Review, 1957, 107 (6), S. 1635–1638 (doi:10.1103/PhysRev.107.1635).
Das langlebigste Isotop, das 247Bk, kann somit nicht in Kernreaktoren hergestellt werden, so dass man sich oftmals mit dem eher zugänglichen 249Bk begnügen muss. Berkelium steht heute weltweit lediglich in sehr geringen Mengen zur Verfügung, weshalb es einen sehr hohen Preis besitzt. Dieser beträgt etwa 185 US-Dollar pro Mikrogramm 249Bk. (engl.); abgerufen am: 22. September 2008.