Californium: Het element

Californium is een radioactief scheikundig element met symbool Cf en atoomnummer 98. Het element is voor het eerst in 1950 geproduceerd aan de Universiteit van Californie door het beschieten van het atoom curium met alfa-deeltjes (heliumkernen). Het is het zwaarste natuurlijke element op aarde, nog zwaardere elementen zijn allemaal synthetisch. Californium is een zilverwit actinide metaal, het is buigzaam en met een mes te snijden.

Het element californium in het periodiek systeem

Bij normale druk bestaat het element in twee kristalstructuren, met als overgangstemperatuur 900°C. Een derde structuur vormt zich onder hoge druk. De meest stabiele isotoop van californium is californium-251 met een halveringstijd van circa 900 jaar. Deze korte halfwaardetijd betekent dat het element niet van nature aanwezig is in de aardkorst. Californium-252, met een halveringstijd van 2,64 jaar, is de meest geproduceerde isotoop. In oktober 2006 kondigden onderzoekers aan dat drie atomen van elementnummer 118 zijn geïdentificeerd in Dubna in Rusland, als het resultaat van het bombarderen van californium-249 met calcium-48.

Californium is tevens uitgangsmateriaal voor andere transuranen, zoals atoomnummer 103 (lawrencium), die voor het eerst gesynthetiseerd werd in 1961. In 1969, ontstaat in Berkeley het element rutherford door beschieting van californium-249 met koolstof-12 volgens de vergelijking:

• 249/98Cf + 12/6C → 257/104Rf + 4 n

Algemene eigenschappen van het element californium

Chemische eigenschappen van het element Californium

Fysische eigenschappen van het element californium

Magnetische toestanden van californium

Isotopen van californium

Twintig radioisotopen van californium zijn bekend, de stabielsten zijn californium-251 met een halveringstijd van 898 jaar californium-249 met een halveringstijd van 351 jaar, californium-250 met een halveringstijd van 13,08 jaar en californium -252 met een halveringstijd van 2,645 jaren. De overige isotopen hebben halveringstijden korter dan een jaar en de meerderheid halveringstijden korter dan 20 minuten.

Californium-249 komt voort uit beta-verval van berkelium-249, de meeste andere californium isotopen worden gemaakt door intense neutronenstraling van berkelium in een kernreactor.

Californium-252 is een zeer sterke neutron emitter, en dus zeer radioactief. Eén microgram californium-252 stoot 2,3 miljoen neutronen per seconde uit.

De stabielste isotopen isotopen

Bekende Chemische californium verbindingen

Californium valenties van 4, 3 of 2; aantal chemische bindingen die één atoom van dit element kan vormen. Het element verkleurd donker dof in lucht, de aantasting geschiedt sneller in een vochtige omgeving. Californium reageert bij verhitting met waterstof, stikstof, of een chalcogeen; reacties met waterstof en waterige zuren verlopen snel. Alleen Californium (III) is in water oplosbaar. Het element vormt een in water oplosbare chloride, nitraat, perchloraat, en gedroogd slaat het neer als een fluoride, oxalaat of hydroxide.

Historie

Californium het eerst gesynthetiseerd aan de University of California berkeley, 1950. Voor de productie van californium, werd curium-242 (242/96Cm) beschoten met alpha deeltjes (4/2He) in de cyclotron van Berkeley, het resultaat was californium-(245/98Cf) plus een vrije neutron (n) volgens onderstaande vergelijking:

• 242/96Cm + 4/2He → 245/98Cf + 1/0n

Weegbare hoeveelheden californium werden in 1954 voor het eerst geproduceerd door de bestraling van plutonium. De isotopen californium-249 tot californium-252 werden hetzelfde jaar geïsoleerd uit een monster plutonium-239 dat werd bestraald met neutronen in een kernreactor. In 1960, creëerde men de eerste californium-verbindingen; californium trichloorstikstof, californium chloride, en californium oxide-door californium bloot te stellen aan stoom en zoutzuur.

Incidenten

Kernproeven hebben het milieu met sporen van californium besmet. Sporen californium zijn gevonden op aarde als gevolg neutron-vangst en beta-verval in uraniumertsen. In water hecht het aan bodemdeeltjes en de concentraties in de bodem kan daardoor vele malen hoger zijn dan in het water zelf. Atmosferische kernproeven vóór 1980 zijn verantwoordelijk voor de kleine hoeveelheid californium in het milieu.

Productie

Californium wordt geproduceerd in kernreactoren en deeltjesversnellers.

• Californium-250 wordt gemaakt door het bombarderen berkelium-249 (249/97Bk) met neutronen, de vorming van berkelium (250/97Bk) via neutron vangst, en die op hun beurt, via beta verval (β) naar californium(250/98 Cf).
• Bombardement van californium-250 met neutronen produceert californium-251 en californium-252.
• Langdurige bestraling van americium, curium, en plutonium met neutronen produceert californium-252 en californium-249.
• Vanaf 2006, Curium isotopen 244-248 worden bestraald door neutronen in speciale reactoren die voornamelijk californium- produceren 252 en kleinere hoeveelheden californium isotopen 249-255.

Leveranties

Californium-252 is beschikbaar voor commercieel gebruik. Twee Laboratoria produceren californium-252 -: het Oak Ridge National Laboratory in de VS en het Research Instituut voor Atoom- Reactoren in Dimitrovgrad in Rusland. De kostprijs van californium-252 is 27 miljoen dollar per gram. Omdat het materiaal zo duur is om te produceren zijn de toepassingen beperkt. Duurste materiaal ter wereld is antimaterie die kost 60 miljard dollar per gram.

Toepassingen

Californium is een van de transuranen (d.w.z. zwaarder dan uranium) dat praktische toepassing heeft als neutronenbron, bijvoorbeeld om kernreactoren op te starten en als neutronenbron bij het bestuderen van materialen met behulp van neutronen diffractie en neutronenspectroscopie. Californium wordt eveneens gebruikt in de nucleaire synthese van zware elementen; het element 118 is gesynthetiseerd door het bombarderen van californium-249 met calcium-48.

De neutronen activeren de atomen in het monster, die vervolgens gammastraling uitzenden. Door de energie van deze straling te meten is vast te stellen welke elementen aanwezig zijn.

Deze neutronenbron wordt gebruikt bij:

• de neutronenactiveringsanalyse
• de behandeling van kankergezwellen
• de bereiding van kortlevende isotopen in de nucleaire geneeskunde
• de vochtigheidssonde, die bij olieboringen wordt gebruikt om lagen water en koolwaterstoffen te detecteren
• het opsporen van goud en zilver en het meten van zwavelgehalte in steenkool.

Californium-252 heeft een aantal gespecialiseerde toepassingen als sterke neutron emitter. Een microgram californium produceert 140.000.000 neutronen per minuut. Deze eigenschap maakt californium geschikt als neutronenkanon voor het opstarten van kernreactoren en als draagbare neutronenbron voor het opsporen van bepaalde elementen in monsters. Neutronen uit californium worden gebruikt als een behandeling van bepaalde baarmoederhalskanker en hersentumoren waar andere therapieën niet goed aanslaan.

Neutron penetratie in materialen maakt californium geschikt in detectie-instrumenten zoals splijtstofstaven scanners; neutronen radiografie om corrosie, slechte lassen, scheuren en ingesloten vocht op te sporen, en in draagbare metaaldetectoren. Neutron vochtmeters gebruiken californium-252 om water en petroleum lagen te vinden, als portable neutronenbron voor on-the-spot analyse. De belangrijkste toepassingen van californium-252 in 1982 waren, reactor opstarten (48%), splijtstofstaaf scanning (25%) en materiaal analyses (19%).

Voorzorgen

De straling van californium dat zich ophoopt in het bot verstoort de aanmaak van rode bloedlichaampjes. Californium kan het lichaam binnendringen door besmet voedsel en door het inademen van lucht met californium stof. Eenmaal in het lichaam, komt slechts 0,05% van het element in het bloed, 65% komt in het skelet, 25% in de lever en de rest in andere organen en in de urine. Het element is gevaarlijk indien door het lichaam opgenomen. Daarnaast kunnen californium-249 en californium-251 weefselschade veroorzaken door gammastralen. Ioniserende straling van californium in het bot en in de lever kan kanker veroorzaken.