Californium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

Zum ganzen Periodensystem

Vorkommen und Gewinnung

In der Natur findet man kein Californium. Alle Isotope sind radioaktiv, das langlebigste, Californium-251, halbiert sich in rund neunhundert Jahren. Technisch nützlicher ist Californium-252 mit einer Halbwertszeit von gut zweieinhalb Jahren.

Stanley Thompson, Kenneth Street, Albert Ghiorso und Glenn Seaborg stellten 1950 in Berkeley das erste Californium her. Sie beschossen eine winzige Menge Curium-242 mit Alphateilchen, dabei entstand Californium-245, das sich in rund 45 Minuten halbiert. Es waren nur einige tausend Atome, die man an ihrer Strahlung und an ihrem chemischen Verhalten erkannte. Die Entdecker nannten das Element nach dem Bundesstaat und der Universität, an der sie arbeiteten.

Heute entsteht Californium in Hochflussreaktoren, vor allem in Oak Ridge in den USA und in Dimitrowgrad in Russland. Man bestrahlt Curium über Wochen und Monate mit Neutronen. Aus den Kernen werden durch Neutroneneinfang und Betazerfälle immer schwerere, bis Californium darunter ist, das man chemisch abtrennt. Die Weltjahresproduktion von Californium-252 liegt nach gängigen Angaben deutlich unter einem Gramm.

Eigenschaften und Reaktionen

Californium steht in Periode 7 und ist das zehnte Actinoid, in der Actinoiden-Zeile zwischen Berkelium links und Einsteinium rechts. Das Dysprosium steht darüber in der Lanthanoiden-Zeile. Die Elektronen sind in der Konfiguration [Rn] 5f¹⁰ 7s² angeordnet. Die Elektronegativität von 1,3 ist ein Schätzwert, der Schmelzpunkt von 900 °C wurde an winzigen Metallproben gemessen. Als Atommasse gilt 251 u, die Massenzahl des langlebigsten Isotops Californium-251.

In Verbindungen tritt Californium meist dreiwertig auf, als Cf³⁺. Daneben kennt man auch vierwertiges Californium, etwa im Oxid CfO₂, und zweiwertiges. Von Californium an gewinnt die zweiwertige Stufe in der Reihe der Actinoide an Bedeutung, beim Nobelium ist sie sogar die beständigste.

Das Besondere an Californium-252 ist seine Strahlung. Es zerfällt überwiegend durch Alphastrahlung, doch bei etwa jedem dreißigsten Zerfall spaltet sich der Kern spontan, und dabei werden Neutronen frei. Schon ein einzelnes Mikrogramm sendet pro Sekunde über zwei Millionen Neutronen aus. Neutronenstrahlung durchdringt den Körper weit leichter als Alphateilchen und wird mit wasserstoffreichen Stoffen wie Wasser oder Polyethylen abgeschirmt. Gelangt Californium in den Körper, lagert es sich im Skelett ab. Nur geschulte Fachleute mit entsprechenden Sicherungen dürfen damit umgehen.

Verwendung als Neutronenquelle

Californium-252 ist eine kompakte, starke Neutronenquelle, und davon leben die Anwendungen. Die Quellen enthalten meist nur Mikrogramm bis Milligramm des Elements.

Beim Anfahren eines Kernreaktors liefern frische Brennelemente von sich aus kaum Neutronen. Eine Californium-Quelle sorgt dafür, dass die Messgeräte von Beginn an Neutronen zählen und man den Anstieg der Kettenreaktion verfolgen kann.

In der Materialprüfung durchleuchtet man Bauteile mit Neutronen, ähnlich wie mit Röntgenstrahlen. Neutronen durchdringen Metall leicht, werden aber von wasserstoffhaltigen Stoffen wie Wasser oder Kunststoff stark gestreut. So findet man Feuchtigkeit und Korrosion in Flugzeugteilen. Bei der Neutronenaktivierungsanalyse bestrahlt man eine Probe, ihre Atomkerne senden dann selbst kurz Strahlung aus, und daraus liest man ab, welche Elemente enthalten sind. Das nutzt man für Erze, Kohle und Zement. Auch Bohrlöcher in der Erdöl- und Erdgassuche erkundet man mit einer Californium-Sonde: Gemessen wird, wie stark das Gestein Neutronen bremst, was Rückschlüsse auf wasser- und ölführende Schichten erlaubt.

In der Medizin hat man Californium-252 früher bei bestimmten Tumoren verwendet. Eine kleine Quelle wurde in die Nähe des Tumors gebracht, damit die Neutronen ihn von innen bestrahlen. Heute spielt das Verfahren nur noch eine geringe Rolle.

Weil eine Quelle in gut zweieinhalb Jahren die Hälfte ihrer Neutronen verliert, muss man sie regelmäßig ersetzen. Der Preis wird in Millionen Dollar je Gramm angegeben, einer der höchsten für ein käufliches Material. In der Forschung dient Californium-249 als Zielmaterial: Mit Calcium-48-Ionen beschossen, lieferte es einzelne Atome des Oganessons.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Californium (Cf)?

Häufige Fragen