Americium (; Elementsymbol Am) ist ein chemisches Element mit der Ordnungszahl 95. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Es ist ein leicht verformbares radioaktives Metall silbrig-weißen Aussehens.
Von Americium gibt es kein stabiles Isotop. Auf der Erde kommt es ausschließlich in künstlich erzeugter Form vor. Das Element wurde erstmals im Spätherbst 1944 erzeugt, die Entdeckung jedoch zunächst nicht veröffentlicht. Seine Existenz wurde in einer amerikanischen Radiosendung für Kinder durch den Entdecker Glenn T. Seaborg, den Gast der Sendung, der Öffentlichkeit preisgegeben.
Americium wird in Kernreaktoren gebildet, eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g des Elements. Es wird als Quelle ionisierender Strahlung eingesetzt, z. B. in der Fluoreszenzspektroskopie und in Ionisationsrauchmeldern. Das Americiumisotop 241Am wurde wegen seiner gegenüber Plutonium (238Pu) wesentlich längeren Halbwertszeit von 432,2 Jahren zur Befüllung von Radionuklidbatterien (RTG) für Raumsonden vorgeschlagen, welche dann hunderte Jahre lang elektrische Energie zum Betrieb bereitstellen würden.
Geschichte Americium wurde im Spätherbst 1944 von Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, Leon O. Morgan und Albert Ghiorso im 60-Zoll-Cyclotron an der Universität von Kalifornien in Berkeley sowie am metallurgischen Laboratorium der Universität von Chicago (heute: Argonne National Laboratory) erzeugt. Nach Neptunium und Plutonium war Americium das vierte Transuran, das seit dem Jahr 1940 entdeckt wurde; das um eine Ordnungszahl höhere Curium wurde als drittes schon im Sommer 1944 erzeugt. Der Name für das Element wurde in Anlehnung zum Erdteil Amerika gewählt – in Analogie zu Europium, dem Seltene-Erden-Metall, das im Periodensystem genau über Americium steht: The name americium (after the Americas) and the symbol Am are suggested for the element on the basis of its position as the sixth member of the actinide rare-earth series, analogous to europium, Eu, of the lanthanide series.G. T. Seaborg, R. A. James, L. O. Morgan: The New Element Americium (Atomic Number 95), NNES PPR (National Nuclear Energy Series, Plutonium Project Record), Vol. 14 B The Transuranium Elements: Research Papers, Paper No. 22.1, McGraw-Hill Book Co., Inc., New York, 1949 (Abstract; Maschinoskript (Januar 1948)).K. Street, Jr., A. Ghiorso, G. T. Seaborg: The Isotopes of Americium, in: Physical Review, 1950, 79 (3), S. 530–531 (doi:10.1103/PhysRev.79.530; Maschinoskript (11. April 1950)).Übersetzung: Der Name Americium (nach den beiden Amerikas) und das Symbol Am werden für das Element vorgeschlagen – basierend auf seiner Position als sechstes Mitglied der Actinoid-Seltenerdmetalle-Serie, in Analogie zum Europium, Eu, aus der Lanthanoiden-Serie.
Zur Erzeugung des neuen Elements wurden in der Regel 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, anschließend wieder mit einer konzentrierten wässrigen Ammoniaklösung als Hydroxid ausgefällt; der Rückstand wurde in Perchlorsäure gelöst. Die weitere Trennung erfolgte mit Ionenaustauschern. In ihren Versuchsreihen wurden der Reihe nach vier verschiedene Isotope erzeugt: 241Am, 242Am, 239Am und 238Am.
Als erstes Isotop isolierten sie 241Am aus einer Plutonium-Probe, die mit Neutronen bestrahlt wurde. Es zerfällt durch Aussendung eines α-Teilchens in 237Np. Die Halbwertszeit dieses α-Zerfalls wurde zunächst auf 510 ± 20 Jahre bestimmt; der heute allgemein akzeptierte Wert ist 432,2 a.G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties, in: Nuclear Physics A, 729, 2003, S. 3–128. . (PDF; 1,0 MB).
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.
Als zweites Isotop wurde 242Am durch erneuten Neutronenbeschuss des zuvor erzeugten 241Am gefunden. Durch nachfolgenden raschen β-Zerfall entsteht dabei 242Cm, das zuvor schon entdeckte Curium. Die Halbwertszeit dieses β-Zerfalls wurde zunächst auf 17 Stunden bestimmt, der heute als gültig ermittelte Wert beträgt 16,02 h.
Erstmals öffentlich bekannt gemacht wurde die Entdeckung des Elements in der amerikanischen Radiosendung Quiz Kids am 11. November 1945 durch Glenn T. Seaborg, noch vor der eigentlichen Bekanntmachung bei einem Symposium der American Chemical Society: Einer der jungen Zuhörer fragte den Gast der Sendung, Seaborg, ob während des Zweiten Weltkrieges im Zuge der Erforschung von Nuklearwaffen neue Elemente entdeckt wurden. Seaborg bejahte die Frage und enthüllte dabei auch gleichzeitig die Entdeckung des nächsthöheren Elements, Curium.Rachel Sheremeta Pepling: Americium. Chemical & Engineering News, 2003.
Americium (241Am und 242Am) und seine Produktion wurde später unter dem Namen Element 95 and method of producing said element patentiert, wobei als Erfinder nur Glenn T. Seaborg angegeben wurde.
In elementarer Form wurde es erstmals im Jahr 1951 durch Reduktion von Americium(III)-fluorid mit Barium dargestellt.Edgar F. Westrum, Jr., LeRoy Eyring: The Preparation and Some Properties of Americium Metal, in: J. Am. Chem. Soc., 1951, 73 (7), S. 3396–3398 (doi:10.1021/ja01151a116).
Vorkommen Americiumisotope entstehen im r-Prozess in Supernovae und kommen auf der Erde wegen ihrer im Vergleich zum Alter der Erde zu geringen Halbwertszeit nicht natürlich vor.
Heutzutage wird jedoch Americium als Nebenprodukt in Kernkraftwerken erbrütet; das Americiumisotop 241Am entsteht als Zerfallsprodukt (u. a. in abgebrannten Brennstäben) aus dem Plutoniumisotop 241Pu. Eine Tonne abgebrannten Kernbrennstoffs enthält durchschnittlich etwa 100 g verschiedener Americiumisotope.Klaus Hoffmann: Kann man Gold machen? Gauner, Gaukler und Gelehrte. Aus der Geschichte der chemischen Elemente, Urania-Verlag; Leipzig, Jena, Berlin 1979, , S. 233. Es handelt sich dabei hauptsächlich um die α-Strahler 241Am und 243Am, die aufgrund 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 Americiums wird derzeit die Partitioning & Transmutation-Strategie untersucht.L. H. Baetsle: (PDF; 2,4 MB), September 2001.Gabriele Fioni, Michel Cribier, Frédéric Marie: .
Da Americium auf der Erde nicht natürlich vorkommt, ist jegliches anderweitige Vorkommen in der Natur durch Kontamination verursacht. Seit den oberirdischen Atomwaffenversuchen ist es ubiquitär auf der Nordhalbkugel in geringen Konzentrationen in Boden, Luft und Hydrosphäre nachweisbar.I. Malátová, V. Bečková: Americium, in Encyclopedia of Toxicology (Third Edition), 2014, abgerufen am 22. Mai 2024 Über diese Grundkontamination hinaus konzentriert sich die bestehende Kontamination mit Americium auf Gebiete, die zwischen 1945 und 1980 für Atomwaffentests genutzt wurden, wie die Wüste von Nevada, das Bikini-Atoll, Nowaja Semlja, Kasachstan, Nullarbor-Wüste (Australien). Dazu kommen von nuklearen Unfällen betroffene Gebiete, z. B. Tschernobyl oder Windscale etc. und Flächen die bei Unfällen mit Atomwaffen verseucht worden sind, z. B. Palomares im spanischen Almeria, wo sich das beim Unfall freigesetzte und nicht beseitigte Plutonium-241 im Laufe der Jahre zu Americum-241 umgewandelt hat, oder Thule (Grönland). Hinzu kommen Gebiete und Gewässer, in denen radioaktive Abfälle unsachgemäß gelagert oder entsorgt wurden, wie das Karische Meer, die Barentssee, sowie der Umkreis von Anlagen der Kernwaffenproduktion in den USA und Russland wie Hanford, Rocky Flats, Tschelyabinsk und Kyschtym. Bei erhöhter Kontamination des Bodens liegt durch Aufwirbelung von Aerosolen eine örtlich erhöhte Kontamination der Luft in diesen Gebieten vor.
Gewinnung und Darstellung Gewinnung von Americiumisotopen Americium fällt in geringen Mengen in Kernreaktoren an. Es steht heute in Mengen von wenigen Kilogramm zur Verfügung. Durch die aufwändige Gewinnung aus abgebrannten Brennstäben hat es einen sehr hohen Preis. Seit der Markteinführung 1962 soll der Preis für Americium(IV)-oxid mit dem Isotop 241Am bei etwa 1500 US-Dollar pro Gramm liegen. Das Americiumisotop 243Am entsteht in geringeren Mengen im Reaktor aus 241Am und ist deshalb mit 160 US-Dollar pro Milligramm 243AmInformationen zum Element Americium bei www.speclab.com (engl.); Zugriff: 8. Oktober 2008. noch wesentlich teurer.
Americium wird über das Plutoniumisotop 239Pu in Kernreaktoren mit hohem 238U-Anteil zwangsläufig erbrütet, da es aus diesem durch Neutroneneinfang und zwei anschließende β-Zerfälle (über 239U und 239Np) entsteht.
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.
Danach wird, wenn es nicht zur Kernspaltung kommt, aus dem 239Pu, neben anderen Nukliden, durch stufenweisen Neutroneneinfang (n,γ) und anschließenden β-Zerfall 241Am oder 243Am erbrütet.
Das Plutonium, welches aus abgebrannten Brennstäben von Leistungsreaktoren gewonnen werden kann, besteht zu etwa 12 % aus dem Isotop 241Pu. Deshalb erreichen erst 70 Jahre, nachdem der Brutprozess beendet wurde, die abgebrannten Brennstäbe ihren Maximalgehalt von 241Am; danach nimmt der Gehalt wieder (langsamer als der Anstieg) ab..
Aus dem so entstandenen 241Am kann durch weiteren Neutroneneinfang im Reaktor 242Am entstehen. Bei Leichtwasserreaktoren soll aus dem 241Am zu 79 % 242Am und zu 10 % 242mAm entstehen:Akihiro Sasahara, Tetsuo Matsumura, Giorgos Nicolaou, Dimitri Papaioannou: Neutron and Gamma Ray Source Evaluation of LWR High Burn-up UO2 and MOX Spent Fuels, in: Journal of Nuclear Science and Technology, 2004, 41 (4), S. 448–456 (doi:10.1080/18811248.2004.9715507).
zu 79 %:
zu 10 %:
Für die Erbrütung von 243Am ist ein vierfacher Neutroneneinfang des 239Pu erforderlich:
Darstellung elementaren Americiums Metallisches Americium kann durch Reduktion aus seinen Verbindungen erhalten werden. Zuerst wurde Americium(III)-fluorid zur Reduktion verwendet. Dieses wird hierzu in wasser- und sauerstofffreier Umgebung in Reaktionsapparaturen aus Tantal und Wolfram mit elementarem Barium zur Reaktion gebracht.Gmelins Handbuch der anorganischen Chemie, System Nr. 71, Transurane, Teil B 1, S. 57–67.
2 AmF3 + 3 Ba -> 2 Am + 3 BaF2
Auch die Reduktion von Americium(IV)-oxid mittels Lanthan oder Thorium ergibt metallisches Americium.
3 AmO2 + 4 La -> 3 Am + 2 La2O3
Eigenschaften mini|Am-241 unter dem Mikroskop mini|Doppelt-hexagonal dichteste Kugelpackung mit der Schichtfolge ABAC in der Kristallstruktur von α-Am (A: grün; B: blau; C: rot)
Im Periodensystem steht das Americium mit der Ordnungszahl 95 in der Reihe der Actinoide, sein Vorgänger ist das Plutonium, das nachfolgende Element ist das Curium. Sein Analogon in der Reihe der Lanthanoiden ist das Europium.
Physikalische Eigenschaften Americium ist ein radioaktives Metall. Frisch hergestelltes Americium ist ein silberweißes Metall, welches jedoch bei Raumtemperatur langsam matt wird. Es ist leicht verformbar. Sein Schmelzpunkt beträgt 1176 °CW. Z. Wade, T. Wolf: Preparation and Some Properties of Americium Metal, in: J. Inorg. Nucl. Chem., 1967, 29 (10), S. 2577–2587 (doi:10.1016/0022-1902(67)80183-0)., der Siedepunkt liegt bei 2607 °C. Die Dichte beträgt 13,67 g·cm−3. Es tritt in zwei Modifikationen auf.