Fermium ist ein ausschließlich künstlich erzeugtes chemisches Element mit dem Elementsymbol Fm und der Ordnungszahl 100. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Actinoide (7. Periode, f-Block) und zählt auch zu den Transuranen. Fermium ist ein radioaktives Metall, das aber aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Mengen bisher nicht als Metall dargestellt wurde. Es wurde 1952 nach dem Test der ersten amerikanischen Wasserstoffbombe entdeckt und zu Ehren des Physikers Enrico Fermi benannt, der jedoch an der Entdeckung von bzw. Forschung an Fermium persönlich nicht beteiligt war.
Geschichte mini|links|Fermium wurde nach der Explosion von Ivy Mike entdeckt. mini|links|Elutionskurven:chromatographische Trennung von Fm (100), Es (99), Cf, Bk, Cm, Am. mini|hochkant|links|Namensgeber Enrico Fermi in den 1940er-Jahren
Fermium wurde zusammen mit Einsteinium nach dem Test der ersten amerikanischen Wasserstoffbombe, Ivy Mike, am 1. November 1952 auf dem Eniwetok-Atoll gefunden. Erste Proben erhielt man auf Filterpapieren, die man beim Durchfliegen durch die Explosionswolke mitführte. Größere Mengen isolierte man später aus Korallen. Aus Gründen der militärischen Geheimhaltung wurden die Ergebnisse zunächst nicht publiziert.
Eine erste Untersuchung der Explosionsüberreste hatte die Entstehung eines neuen Plutoniumisotops 244Pu aufgezeigt, dies konnte nur durch die Aufnahme von sechs Neutronen durch einen Uran-238-Kern und zwei folgende β-Zerfälle entstanden sein.
Zu der Zeit nahm man an, dass die Absorption von Neutronen durch einen schweren Kern ein seltener Vorgang sei. Die Identifizierung von 244Pu ließ jedoch den Schluss zu, dass Urankerne viele Neutronen einfangen können, was zu neuen Elementen führt.
Die Bildung gelang durch fortgesetzten Neutroneneinfang: Im Moment der Detonation war die Neutronenflussdichte so hoch, dass die meisten der zwischenzeitlich gebildeten – radioaktiven – Atomkerne bis zum jeweils nächsten Neutroneneinfang noch nicht zerfallen waren. Bei sehr hohem Neutronenfluss steigt also die Massenzahl stark an, ohne dass sich die Ordnungszahl ändert. Erst anschließend zerfallen die entstandenen instabilen Nuklide über viele β-Zerfälle zu stabilen oder instabilen Nukliden mit hoher Ordnungszahl:
Die Entdeckung von Fermium (Z = 100) erforderte mehr Material, da man davon ausging, dass die Ausbeute mindestens eine Größenordnung niedriger als die von Element 99 sein würde. Daher wurden kontaminierte Korallen aus dem Eniwetok-Atoll (wo der Test stattgefunden hatte) zum University of California Radiation Laboratory in Berkeley, Kalifornien, zur Verarbeitung und Analyse gebracht. Die Trennung der gelösten Actinoid-Ionen erfolgte in Gegenwart eines Citronensäure/Ammoniumcitrat-Puffers im schwach sauren Medium (pH ≈ 3,5) mit Ionenaustauschern bei erhöhter Temperatur. Etwa zwei Monate später wurde eine neue Komponente isoliert, ein hochenergetischer α-Strahler (7,1 MeV) mit einer Halbwertszeit von etwa einem Tag. Mit einer derart kurzen Halbwertszeit konnte es nur aus dem β-Zerfall eines Einsteiniumisotops entstehen, und so musste ein Isotop des Elements 100 das neue sein: Es wurde schnell als 255Fm identifiziert (t½ = 20,07 Stunden).
Im September 1953 war noch nicht abzusehen, wann die Ergebnisse der Teams in Berkeley, Argonne und Los Alamos veröffentlicht werden könnten. Man entschied sich dazu, die neuen Elemente durch Beschussexperimente herzustellen; gleichzeitig versicherte man sich, dass diese Ergebnisse nicht unter Geheimhaltung fallen würden und somit veröffentlicht werden konnten. Einsteiniumisotope wurden kurz danach am University of California Radiation Laboratory durch Beschuss von Uran (238U) mit Stickstoff (14N) hergestellt. Dabei merkte man an, dass es Forschungen zu diesem Element gab, die bislang noch unter Geheimhaltung standen.Albert Ghiorso, G. Bernard Rossi, Bernard G. Harvey, Stanley G. Thompson: Reactions of U238 with Cyclotron-Produced Nitrogen Ions, in: Physical Review, 1954, 93 (1), S. 257–257 (doi:10.1103/PhysRev.93.257). Isotope der beiden neu entdeckten Elemente wurden durch Bestrahlung des Plutoniumisotops 239Pu erzeugt, die Ergebnisse wurden in fünf kurz aufeinander folgenden Publikationen veröffentlicht.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).B. G. Harvey, S. G. Thompson, A. Ghiorso, G. R. Choppin: Further Production of Transcurium Nuclides by Neutron Irradiation, in: Physical Review, 1954, 93 (5), S. 1129–1129 (doi:10.1103/PhysRev.93.1129).M. H. Studier, P. R. Fields, H. Diamond, J. F. Mech, A. M. Friedman, P. A. Sellers, G. Pyle, C. M. Stevens, L. B. Magnusson, J. R. Huizenga: Elements 99 and 100 from Pile-Irradiated Plutonium, in: Physical Review, 1954, 93 (6), S. 1428–1428 (doi:10.1103/PhysRev.93.1428).P. R. Fields, M. H. Studier, J. F. Mech, H. Diamond, A. M. Friedman, L. B. Magnusson, J. R. Huizenga: Additional Properties of Isotopes of Elements 99 and 100, in: Physical Review, 1954, 94 (1), S. 209–210 (doi:10.1103/PhysRev.94.209).G. R. Choppin, S. G. Thompson, A. Ghiorso, B. G. Harvey: Nuclear Properties of Some Isotopes of Californium, Elements 99 and 100, in: Physical Review, 1954, 94 (4), S. 1080–1081 (doi:10.1103/PhysRev.94.1080). Die letzten Reaktionen ausgehend von Californium sind:
Das Team in Berkeley war zudem besorgt, dass eine andere Forschergruppe die leichteren Isotope des Elements 100 durch Ionenbeschuss entdecken und veröffentlichen könnte, bevor sie ihre unter Geheimhaltung stehende Forschung hätten veröffentlichen können. Denn im ausgehenden Jahr 1953 sowie zu Anfang des Jahres 1954 beschoss eine Arbeitsgruppe des Nobel-Instituts für Physik in Stockholm Urankerne mit Sauerstoffkernen; es bildete sich das Isotop mit der Massenzahl 250 des Elements 100 (250Fm).Hugo Atterling, Wilhelm Forsling, Lennart W. Holm, Lars Melander, Björn Åström: Element 100 Produced by Means of Cyclotron-Accelerated Oxygen Ions, in: Physical Review, 1954, 95 (2), S. 585–586 (doi:10.1103/PhysRev.95.585.2). Die zweifelsfreie Identifizierung konnte anhand der charakteristischen Energie des beim Zerfall ausgesandten α-Teilchens erlangt werden.
Das Team in Berkeley veröffentlichte schon einige Ergebnisse der chemischen Eigenschaften beider Elemente.G. T. Seaborg, S. G. Thompson, B. G. Harvey, G. R. Choppin: Chemical Properties of Elements 99 and 100; Abstract; Maschinoskript (23. Juli 1954), Radiation Laboratory, University of California, Berkeley, UCRL-2591 (Rev.) (PDF; 1,5 MB).S. G. Thompson, B. G. Harvey, G. R. Choppin, G. T. Seaborg: Chemical Properties of Elements 99 and 100, in: J. Am. Chem. Soc., 1954, 76 (24), S. 6229–6236 (doi:10.1021/ja01653a004). Schließlich wurden die Ergebnisse der thermonuklearen Explosion im Jahr 1955 freigegeben und anschließend publiziert.A. Ghiorso, S. G. Thompson, G. H. Higgins, G. T. Seaborg (Radiation Laboratory and Department of Chemistry, University of California, Berkeley, California), M. H. Studier, P. R. Fields, S. M. Fried, H. Diamond, J. F. Mech, G. L. Pyle, J. R. Huizenga, A. Hirsch, W. M. Manning (Argonne National Laboratory, Lemont, Illinois), C. I. Browne, H. L. Smith, R. W. Spence (Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, New Mexico): New Elements Einsteinium and Fermium, Atomic Numbers 99 and 100, in: Physical Review, 1955, 99 (3), S. 1048–1049 (doi:10.1103/PhysRev.99.1048; Maschinoskript (9. Juni 1955), Lawrence Berkeley National Laboratory. Paper UCRL-3036).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).
Letztlich war die Priorität des Berkeley-Teams allgemein anerkannt, da ihre fünf Publikationen der schwedischen Publikation vorausgingen und sie sich auf die zuvor noch geheimen Ergebnisse der thermonuklearen Explosion von 1952 stützen konnten. Damit war das Vorrecht verbunden, den neuen Elementen den Namen zu geben. Sie entschieden sich, diese fortan nach berühmten, bereits verstorbenen Wissenschaftlern zu benennen. Man war sich schnell einig, die Namen zu Ehren von Albert Einstein und Enrico Fermi zu vergeben, die beide erst vor kurzem verstorben waren: „We suggest for the name for the element with the atomic number 99, einsteinium (symbol E) after Albert Einstein and for the name for the element with atomic number 100, fermium (symbol Fm), after Enrico Fermi.“ Die Bekanntgabe für die beiden neu entdeckten Elemente Einsteinium und Fermium erfolgte durch Albert Ghiorso auf der 1. Genfer Atomkonferenz, die vom 8. bis 20. August 1955 stattfand.Das Handbook of Chemistry and Physics verwendete noch 2004 den provisorischen systematischen Namen Unnilnilium: David R. Lide: CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85. Auflage, CRC Press, 2004, ISBN 978-0-8493-0485-9, Section 4, S. 4–10 (). In der 90. Auflage ist davon nicht mehr die Rede (S. 4–12 bis 4–13).
Isotope Sämtliche bisher bekannten 19 Nuklide und 3 Kernisomere sind radioaktiv und instabil.G. Pfennig, H. Klewe-Nebenius, W. Seelmann-Eggebert (Hrsg.): Karlsruher Nuklidkarte, 7. Aufl., 2006. Die bekannten Massenzahlen reichen von 242 bis 260. Die mit Abstand längste Halbwertszeit hat das Isotop 257Fm mit 100,5 Tagen, so dass es auf der Erde keine natürlichen Vorkommen mehr geben kann. 253Fm hat eine Halbwertszeit von 3 Tagen, 251Fm von 5,3 h, 252Fm von 25,4 h, 254Fm von 3,2 h, 255Fm von 20,1 h und 256Fm von 2,6 h. Alle übrigen haben Halbwertszeiten von 30 Minuten bis unterhalb einer Millisekunde.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. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (PDF; 1,0 MB).
Nimmt man den Zerfall des langlebigsten Isotops 257Fm heraus, so entsteht durch α-Zerfall zunächst das 253Cf, das seinerseits durch β-Zerfall in 253Es übergeht. Der weitere Zerfall führt dann über 249Bk, 249Cf, 245Cm, 243Am, 241Pu, 241Am zum 237Np, dem Beginn der Neptunium-Reihe (4 n + 1).
Die angegebenen Zeiten sind Halbwertszeiten.
mini|500px|ohne|Der Zerfall von Fermium-257 bis zur Neptunium-Reihe.
Fermiumbarriere Als Fermiumbarriere bezeichnet man den Umstand, dass die Fermiumisotope 258Fm, 259Fm und 260Fm zum Teil schon nach Bruchteilen von Sekunden durch Spontanspaltung zerfallen (t½ = 370 µs, 1,5 s bzw. 4 ms). 257Fm ist ein α-Strahler und zerfällt zu 253Cf. Zudem zeigt keines der bislang bekannten Fermiumisotope β-Zerfälle, was die Bildung von Mendelevium durch Zerfall aus Fermium verhindert. Diese Tatsachen vereiteln praktisch jede Bemühung, mit Hilfe von Neutronenstrahlung, zum Beispiel mit Hilfe eines Kernreaktors, Elemente mit Ordnungszahlen über 100 bzw. Massenzahlen größer als 257 zu erzeugen. Fermium ist somit das letzte Element, das durch Neutroneneinfang hergestellt werden kann. Jeder Versuch, weitere Neutronen zu einem Fermium-Kern hinzuzufügen, führt zu einer Spontanspaltung.
Gewinnung Fermium wird durch Beschuss von leichteren Actinoiden mit Neutronen in einem Kernreaktor erzeugt. Die Hauptquelle ist der 85 MW High-Flux-Isotope Reactor 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.