Készítette: Tóth Krisztián. Web: http://krissz.hu

Kűrium

96
247
3
Cm
6d1
5f7
Kűrium
Alapadatok
Név, vegyjel, rendszám kűrium, Cm, 96
Elemi sorozat aktinoidák
Csoport, periódus, mező ?, 7, f
Megjelenés ezüstös
Atomtömeg (247) g/mol
Elektronszerkezet [Rn] 5f7 6d1 7s2
Elektronok héjanként 2, 8, 18, 32, 25, 9, 2
Fizikai tulajdonságok
Halmazállapot szilárd
Sűrűség (szobahőm.) 13,51 g/cm³
Olvadáspont 1613 K
(1340 °C, 2444 °F)
Forráspont 3383 K
(3110 °C, 5630 °F)
Olvadáshő  ? 15 kJ/mol
Atomi tulajdonságok
Kristályszerkezet hexagonális
Oxidációs állapotok 3
(amfoter oxid)
Elektronegativitás 1,3 (Pauling-skála)
Ionizációs energia 1.: 581 kJ/mol
Egyéb jellemzők
Mágnesség nincs adat
CAS-szám 7440-51-9

A Kűrium bővebb leírása

A kűrium a periódusos rendszer egyik eleme. Vegyjele Cm, rendszáma 96. A kűriumot Glenn T. Seaborg, Ralph A. James, és Albert Ghiorso fedezte fel a Berkeley-i Kalifornia Egyetemen.

Tulajdonságai

A kűrium a természetben nem található meg. kűrium-248 izotópot csak milligrammnyi mennyiségben állították elő, de kűrium-242-t és kűrium-244-et grammnyi mennyiségben készítenek, ami lehetővé teszi az elem egyes tulajdonságainak megállapítását. Kűrium-244-et nagyobb mennyiségben plutónium neutronokkal való bombázásával állítanak elő. A kűriumnak csak néhány ipari alkalmazása ismert, a jövőben azonban felhasználhatják radioizotópos termoelektromos generátorokban. A kűrium a csontszövetben felhalmozódik, sugárzása elroncsolja a csontvelőt és így leállítja a vörösvérsejt-képződést.

A kűrium kémiailag valamelyest hasonlít a ritkaföldfém homológjára, a gadolíniumra, de kristályszerkezete bonyolultabb. A kűrium ezüstfehér színű, reakcióképes, az alumíniumnál elektropozitívabb fém (a legtöbb háromértékű kűrium vegyület enyhén sárgás színű).

Sokat tanulmányozták radioizotópos termoelektromos generátorokban történő lehetséges felhasználását. A kűrium-242 akár 120 watt hőenergiát is szolgáltathat gramonként (W/g), nagyon rövid felezési ideje azonban nem teszi lehetővé hosszú élettartamú energiaforrás készítését. A kűrium-242 alfa-bomlással plutónium-238-cá alakulhat át, amely a radioizotópos termoelektromos generátorokban (RTG) leggyakrabban használt izotóp. A kűrium-244 RTG-kben történő felhasználását is vizsgálták, ennek maximális energiasűrűsége ~3 W/g,[1] de spontán hasadás révén ez az izotóp erős neutronsugárzást bocsát ki. A kűrum-243 30 év körüli felezési idejével és jó – ~1,6 W/g – energiasűrűségével ideális anyagnak tűnhet, de bomlástermékei jelentős mértékű gamma- és béta-sugárzást bocsátanak ki.

Vegyületei

Néhány vegyülete:

  • kűrium-dioxid (CmO2)
  • kűrium-trioxid (Cm2O3)
  • kűrium-bromid (CmBr3)
  • kűrium-klorid (CmCl3)
  • kűrium-tetrafluorid (CmF4)
  • kűrium-jodid (CmI3)

Története

A kűriumot elsőként 1944-ben állította elő Glenn T. Seaborg, Ralph A. James és Albert Ghiorso a Berkeley városban levő University of California-n.[2] A tudósok az elemet Marie Curie és férje, Pierre után nevezték el, akik a rádium felfedezésével és a radioaktivitás jelenségének tanulmányozásával váltak híressé. Ez volt az első alkalom, hogy egy kémiai elemet történelmi személyről neveztek el. A kűriumot kémiailag a Chicagói Egyetem Metallurgical Laboratory-ban (ma Argonne National Laboratory) azonosították. Ez volt a harmadikként felfedezett transzurán elem, noha a transzuránok sorában csak a negyedik. Berkeley-ben az 1,5 méteres ciklotronban plutónium-239 céltárgyat bombáztak alfa-részecskékkel, melynek során kűrium-242 (felezési ideje 163 nap) és egy szabad neutron keletkezett.[3]

23994Pu + 42He24296Cm + 10n

Mivel az új elemek – az amerícium és kűrium – felfedezése szorosan kapcsolódott a Manhattan-Tervhez, az eredmények titkosak voltak és nem lehetett publikálni őket. Seaborg az új elemek felfedezését egy gyerekeknek szóló rádióműsorban, a Quiz Kidsben jelentette be, öt nappal az American Chemical Society 1945. november 11-ei gyűlésén tartandó hivatalos előadást megelőzően.[4] Seaborg szabadalmaztatta is az új elemek szintézisét.[5]

Louis Werner és Isadore Perlman 1947-ben szemmel látható mennyiségű kűrium-242-hidroxid mintát állított elő a University of California-n, ők amerícium-241-et bombáztak neutronokkal.[6] A kűriumot elemi állapotban elsőként 1951-ben állították elő.[7][8]

Izotópjai

A kűrium 19 radioizotópját írták le, ezek közül a legstabilabb a Cm-247, 1,56·107 év felezési idővel, ezt követi a Cm-248 3,40·105 évvel, a Cm-250 9000 évvel és a Cm-245 8500 évvel. A többi radioaktív izotóp felezési ideje rövidebb mint 30 év, a többségé pedig 33 napnál is kevesebb. A kűriumnak 4 metastabil állapota is ismert, ezek közül a legstabilabb a Cm-244m (t½ 34 ms). A kűrium izotópjainak atomtömege 233,051 u (Cm-233) és 252,085 u (Cm-252) közé esik.

Tüzelőanyag-ciklus

A 238Pu és 244Cm közötti elemátalakulás folyamata LWR-ben (könnyűvizes reaktorban).[9]
A hasadás száazlékos aránya 100 mínusz a feltüntetett százalékok.
Az elemátalakulás teljes sebessége nuklidtól függően nagymértékben változik.
A 245Cm–248Cm felezési ideje hosszú, bomlásuk elhanyagolható.
Termikus neutronra vonatkozó hatáskeresztmetszetek (barnban)
242Cm 243Cm 244Cm 245Cm 246Cm 247Cm
Hasadás 5 617 1,04 2145 0,14 81,90
Befogás 16 130 15,20 369 1,22 57
Befogás/hasadás arány 3,20 0,21 14,62 0,17 8,71 0,70
53 MWnap/kg kiégési szinten 20 év után kimerült alacsony dúsítású urán [10]
3 gyakori izotóp 51 3700 390
Gyorsneutronos reaktor kevert fém-oxidos hasadóanyag (5 minta átlaga, 66-120GWnap/t kiégési szint)[11]
Kűrium összesen 3,09·10−3% 27,64% 70,16% 2,166% 0,0376% 0,000928%

A páratlan tömegszámú izotópok maghasadásra képesek, a páros tömegszámúak csak befogják a neutronokat, de azt is csak kisebb sebességgel. A termikus reaktorokban ezért a páros tömegszámú izotópok a kiégés során felhalmozódnak.

Az energiatermelő reaktorokban használandó kevert-oxid fűtőanyag (MOX) nem, vagy csak kis mennyiségben tartalmazhat kűriumot, mivel a 248Cm neutronaktivációja során kalifornium keletkezik, amely erős neutron sugárzó. A kalifornium elszennyezné a tüzelőanyag-ciklus végét, és növelné a munkások sugárdózisát. Ezért ha termikus neutronos reaktorban másodlagos aktinoidákat akarnak fűtőanyagként használni, akkor abból el kell távolítani a kűriumot, vagy különleges fűtőelemrúdba kell helyezni, amelyben nincs más aktinoida.

Felhasználása

A 244Cm és 242Cm izotópok több éves vagy hónapos felezési idővel rendelkező erős alfa-sugárzók, mely folyamat során jelentős mennyiségű hőt termelnek. Ez a tulajdonságuk alkalmassá teszi őket alfa-sugárforrásként és radioizotópos termoelektromos generátorok hőforrásaként való felhasználásra.

Kűrium-244 sugárforrást használnak több amerikai és európai űrmisszió fedélzetén az alfa-részecske röntgenspektrométerben, például a Mars Exploration Roverben[12] és a Rosetta/Philae-ben is. Több jövőbeli küldetésen is javasolják RTG-ben való használatukat.[13][14]