61. Promethium (Pm) - Das radioaktive Phantom

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen wie Wissensreise durch die Geschichte heute widmen wir uns einem Element, das anders ist als fast alle seine Nachbarn im Periodensystem.

0:30 Es ist ein Element, das sich dem Menschen über Jahrzehnte hinweg entzogen hat. Ein Element, das in der Natur unserer Erde praktisch nicht vorkommt und dennoch einen festen Platz in der Ordnung der Elemente einnimmt. Die Rede ist von Prometium, dem Element mit der Ordnungszahl 61. Einem radioaktiven Phantom, das die Chemikerinnen und Chemiker lange Zeit nur als Lücke in ihren Tabellen kannten.

1:01 Lehn dich zurück, atme ruhig und lass uns gemeinsam der Spur dieses flüchtigen leuchtenden Geistes folgen, der zwischen dem Neodym und dem Samarium seinen Platz gefunden hat. Um die Geschichte des Prometiums zu verstehen, müssen wir zunächst begreifen, was ein Element eigentlich radioaktiv macht. Jedes Atom besteht aus einem Kern und einer Hülle aus Elektronen, der Kern wiederum setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die Zahl der Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt, beim Prometium sind es 61 Protonen, die.

1:46 Die Zahl der Neutronen dagegen kann bei einem Element schwanken und so gibt es von den meisten Elementen mehrere Spielarten, die man Isotope nennt. Manche dieser Isotope sind stabil und bleiben über beliebig lange Zeit unverändert bestehen, andere sind instabil. In ihrem Kern herrscht ein Ungleichgewicht, und um dieses auszugleichen, zerfallen sie früher oder später und senden dabei Strahlung aus.

2:19 Genau das ist die Radioaktivität, das besondere und tragische Amprometium ist nun, dass es von ihm überhaupt kein einziges stabiles Isotop gibt. Jede nur denkbare Kombination aus 61, Protonen und einer bestimmten Zahl von Neutronen ergibt einen Kern, der zum Zerfall verurteilt ist. Diese Eigenschaft macht das Promethium zu einer echten Ausnahme.

2:48 Unter den leichteren Elementen in dem langen Abschnitt des Periodensystems bis hinauf zum Blei gibt es nur 2 Elemente, die keinerlei stabile Form besitzen. Das eine ist das Technetium, dem wir bereits eine eigene Folge gewidmet haben. Das andere ist eben das Prometium beide sind gewissermaßen Löcher in der ansonsten so stabilen Landschaft der leichten Elemente, alle ihre Nachbarn oberhalb und unterhalb besitzen stabile Isotope, doch diese beiden fallen aus der Reihe. Der Grund dafür liegt in einer subtilen Gesetzmäßigkeit der Kernphysik, die man nach dem italienischen Physiker Emilio Segre und weiteren Forscherinnen und Forschern benennen könnte. Vereinfacht gesagt sind bei diesen beiden Protonenzahlen alle möglichen

3:42 Kernzusammensetzungen entweder zu protonenreich oder zu neutronenreich, um dauerhaft zusammenzuhalten. Sie werden stets von einem stabileren Nachbarelement gleichsam verdrängt, weil das Prometium kein stabiles Isotop besitzt und weil seine langlebigsten Formen nur wenige Jahre bis Jahrzehnte überdauern, ist es auf der Erde praktisch vollständig verschwunden, als sich unser Planet vor viereinhalb Milliarden Jahren bildete, mag durchaus etwas Prometium in ihm enthalten gewesen sein.

4:17 Ein Erbe jener Sterne, in denen die schweren Elemente entstanden. Doch alles ursprüngliche Prometium ist längst zerfallen, viele Male hintereinander, bis nichts mehr davon übrig blieb, was heute in Winzigsten Spuren in der Erdkruste existiert, entsteht immer wieder neu. Etwa wenn Uranatome in bestimmten Gesteinen spontan zerfallen und dabei in seltenen Fällen Prometium hervorbringen.

4:47 Schätzungen zufolge befinden sich in der gesamten Erdkruste zu jedem Zeitpunkt nur wenige 100 Gramm natürliches Prometium, verteilt über den ganzen Erdball, ein wahrhaft Geisterhaftes vorkommen. Aus diesem Grund musste das Element erst künstlich hergestellt werden, bevor der Mensch es überhaupt in die Hand nehmen konnte.

5:09 Die Geschichte seiner Entdeckung ist eine Geschichte des langen Suchens und der vielen falschen Fährten schon früh im 20 Jahrhundert war den Forschenden aufgefallen, dass in ihren Tabellen der Seltenen Erden eine Lücke klaffte, die. Zwischen dem Neodym mit der Ordnungszahl 60 und dem Samarium mit der Ordnungszahl 62 fehlte offenbar ein Element, jenes mit der Zahl 61. Als der englische Physiker Henry Moseley in den Jahren um 1913 eine Methode entwickelte, mit der sich die Ordnungszahl eines Elements zweifelsfrei bestimmen ließ. Wurde diese Lücke unübersehbar?

5:57 Nun begann eine regelrechte Jagd, mehrere Forschergruppen in verschiedenen Ländern meldeten in den folgenden Jahren, sie hätten das fehlende Element gefunden, man gab ihm vorläufige Namen wie Illinium oder Florentium, benannt nach den Orten der vermeintlichen Entdeckung. Doch keine dieser Meldungen hielt einer strengen Überprüfung stand, was die Forschenden für das neue Element gehalten hatten, erwies sich stets als Irrtum oder als Verwechslung.

6:33 Besonders hartnäckig hielt sich in den Vereinigten Staaten der Anspruch einer Forschergruppe der Universität von Illinois, die im Jahr 1926 verkündete, das fehlende Element in seltenen Mineralien nachgewiesen zu haben. Sie tauften es in Linium nach ihrem Heimatstaat. Fast zeitgleich meldeten italienische Forschende in Florenz eine ganz ähnliche Entdeckung und wählten den Namen Florentium. Beide Gruppen glaubten fest an ihren Fund und über Jahre hinweg tauchten diese Namen in Lehrbüchern und Tabellen auf, als sei die Sache entschieden.

7:14 Doch je genauer man die Messungen überprüfte, desto deutlicher wurde, dass sich die Forschenden geirrt hatten. Was sie für das neue Element gehalten hatten, waren in Wahrheit winzige Verunreinigungen durch benachbarte Seltene Erden, die ähnliche Signale erzeugten. Diese Episode zeigt eindrücklich, wie schwer die Wissenschaft sich mit einem Element tat, das sich der Beobachtung grundsätzlich entzog.

7:41 Es war kein Versagen einzelner Forscherinnen und Forscher, sondern die Folge eines tiefen Missverständnisses über die Natur des gesuchten Stoffes. Man suchte in der falschen Welt, nämlich in der beständigen Natur, nach etwas, das nur in der Welt der künstlich erzeugten, vergänglichen Kerne zu finden war. Der Grund für dieses beharrliche Scheitern wurde erst später klar.

8:08 Man suchte das Element in natürlichen Mineralien, in Erzen der Seltenen Erden, in der Hoffnung, es dort in messbaren Mengen zu finden. Doch weil das Promethium radioaktiv ist und in der Natur nicht dauerhaft bestehen kann, war diese Suche von vornherein zum Scheitern verurteilt, man suchte etwas, das an diesen Orten schlicht nicht mehr existierte. Erst als sich die Kernphysik so weit entwickelt hatte, dass man Elemente künstlich erzeugen konnte, wendete sich das Blatt. Der Schlüssel lag im Kernreaktor, jener neuen Technik, die während des Zweiten Weltkriegs entwickelt wurde, in einem Reaktor spalten sich urankerne, und bei dieser Spaltung entstehen zahllose neue Kerne als sogenannte Spaltprodukte unter diesen.

9:04 Spaltprodukten befindet sich auch das Promethium, denn wenn ein schwerer Urankern in 2 Teile zerbricht, kann einer dieser Teile durchaus die Ordnungszahl 61 tragen. Im Jahr 1945 gelang schließlich der Nachweis am Forschungszentrum in Oak Ridge in den Vereinigten Staaten untersuchten die forschenden Jacob Marinsky Lawrence, Glenn Danon und Charles Correlle die. Die Spaltprodukte des Urans mit Hilfe eines neuen Trennverfahrens, der sogenannten Ionenaustausch Chromatographie. Mit dieser Methode konnten sie die einander so ähnlichen Seltenen Erden erstmals sauber voneinander trennen, und dabei stießen sie auf das langgesuchte Element mit der Ordnungszahl 61. Endlich hatte man es in Händen,

10:01 wenn auch nur in winzigen Mengen und in einer radioaktiven, ständig zerfallenden Form. Die offizielle Bekanntgabe der Entdeckung erfolgte erst einige Jahre später im Jahr 1947 nun stellte sich die Frage nach einem Namen, es war Grace Mary Coryal. Die Ehefrau von Charles Coryal, die den entscheidenden Vorschlag machte.

10:30 Sie schlug den Namen Prometium vor, in Anlehnung an die Gestalt des Prometheus aus der griechischen Sage Prometheus war jener Titan, der den Göttern das Feuer stahl und es den Menschen brachte und der dafür von Zeus mit einer grausamen Strafe belegt wurde. Der Name war mit Bedacht gewählt. Zum einen erinnerte er an das Feuer, an die gewaltige Energie, die in der Kernspaltung freigesetzt wird und die auch das Prometium hervorbringt, zum anderen schwang darin eine Mahnung mit, denn die Gabe des Feuers brachte den Menschen nicht nur Segen, sondern auch Gefahr. So trägt das Element bis heute den Namen eines Titanen und mit ihm die Erinnerung an die Doppelnatur menschlicher Erkenntnis, die zugleich

11:24 befreien und bedrohen kann. Das wichtigste und am längsten lebende, praktisch nutzbare Isotop des Promethiums trägt die Massenzahl 147 es zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa zweieinhalb Jahren. Die Halbwertszeit ist jene Zeitspanne, nach der die Hälfte einer gegebenen Menge eines radioaktiven Stoffes zerfallen ist.

11:49 Nach zweieinhalb Jahren ist also die Hälfte des Promethiums verschwunden, nach 5 Jahren ist nur noch ein Viertel übrig, nach siebeneinhalb Jahren ein Achtel. Und sofort? Diese verhältnismäßig kurze Lebensdauer ist der Grund, warum man Prometium für jede Anwendung immer wieder neu herstellen muss. Es lässt sich nicht bevorraten, nicht ansammeln, nicht für spätere Zeiten aufheben wie ein Phantom entzieht es sich jedem Versuch, es dauerhaft festzuhalten beim Zerfall des Prometiums 147 sendet der Kern eine sogenannte Betastrahlung aus.

12:31 Diese besteht aus schnellen Elektronen, die aus dem Kern herausgeschleudert werden. Wenn sich dort ein Neutron in ein Proton verwandelt. Aus dem Prometium entsteht dabei ein stabiles Isotop des Nachbarelements Samarium die Beta Strahlung des Promethiums ist verhältnismäßig weich, das heißt Energiearm, und lässt sich schon durch eine dünne Schicht Material abschirmen. Gerade diese Eigenschaft hat das Prometium für bestimmte Anwendungen interessant gemacht, denn es strahlt, ohne dabei die durchdringende und gefährliche Gammastrahlung in großen Mengen zu erzeugen, wie sie viele andere radioaktive Stoffe aussenden.

13:19 Die vielleicht bekannteste Anwendung des Prometiums nutzt genau dieses sanfte Leuchten, man kann die Energie der Betastrahlung nämlich in sichtbares Licht verwandeln. Dazu mischt man das Promethium mit einem Leuchtstoff, einer Substanz, die aufleuchtet, wenn sie von Strahlung getroffen wird. Auf diese Weise entsteht eine Leuchtfarbe, die von selbst und ohne jede äußere Energiequelle über Jahre hinweg ein schwaches, stetiges Licht abgibt.

13:51 Solche Leuchtfarben wurden verwendet, um die Zeiger und Ziffern von Uhren. Die Skalen von Messgeräten und die Anzeigen in Flugzeugen und militärischem Gerät auch in völliger Dunkelheit ablesbar zu machen. Früher hatte man für diesen Zweck das weitaus gefährlichere Radium benutzt, das eine stark durchdringende Strahlung aussendet und zu schweren gesundheitlichen Schäden geführt hatte. Das Prometium galt als deutlich sicherere Alternative. Weil seine weiche Strahlung kaum aus dem Gerät heraustrat. Dennoch ist auch der Umgang mit Prometium nicht ohne Risiko und verlangt sorgfältige Schutzmaßnahmen. Eine weitere faszinierende Anwendung führt uns hinaus in den Weltraum, weil das Prometium

14:44 beim Zerfall eine Energie in Form von Wärme abgibt, lässt sich diese Wärme in Strom verwandeln. Man spricht dann von einer Radionuklidbatterie oder einer Atombatterie. In einer solchen Batterie wird die Zerfallswärme eines radioaktiven Stoffes über sogenannte Thermoelektrische Wandler in elektrischen Strom umgesetzt. Solche Batterien liefern über Jahre hinweg zuverlässig Energie, ganz ohne bewegliche Teile und ohne Nachladen, die. Zwar wird für die großen Raumsonden meist ein anderes Element namens Plutonium verwendet, doch das Promethium wurde ebenfalls für kleinere Anwendungen erprobt, etwa für Batterien, die über lange Zeiträume geringe Mengen an Strom liefern sollen.

15:34 Auch hier zeigt sich die Doppelnatur des Elements, sein steter Zerfall ist. Der es so vergänglich macht, ist zugleich die Quelle einer zuverlässigen und lang anhaltenden Energie. In jüngerer Zeit hat das Promedium noch einmal neues Interesse geweckt, und zwar im Zusammenhang mit einer besonderen Art winziger Langzeitbatterien statt die Zerfallswärme in Strom zu verwandeln, verfolgt man hier einen anderen Weg.

16:05 Man nutzt die Betastrahlung unmittelbar, indem man sie auf ein Halbleitermaterial treffen lässt, das die Energie der schnellen Elektronen direkt in elektrischen Strom umsetzt. Man spricht von einer betavoltaik Zelle in Anlehnung an die vertraute Solarzelle, die das Sonnenlicht in Strom verwandelt. Eine solche Zelle mit Promethium liefert zwar nur eine winzige Leistung, tut dies aber über viele Jahre hinweg völlig wartungsfrei.

16:34 Für bestimmte Anwendungen, etwa für Sensoren an schwer zugänglichen Orten oder für medizinische Geräte im Körper, ist eine solche verlässliche Miniaturquelle von Strom von großem Wert. Manche forschende arbeiten sogar daran, radioaktive Stoffe in künstliche Diamanten einzuschließen, um besonders sichere und langlebige Batterien zu schaffen, das Promethium. Dieses vergängliche Phantom könnte auf diese Weise künftig kleine Geräte über Jahre hinweg mit Leben versorgen, ganz aus der stillen Kraft seines eigenen Zerfalls heraus kehren wir noch einmal zur Herstellung des Prometiums zurück, denn sie ist alles andere als einfach, der größte Teil des heute verfügbaren Prometiums stammt aus den Spaltprodukten von Kernreaktoren.

17:28 Wenn abgebrannte Brennelemente aus einem Reaktor wieder aufbereitet werden, findet sich in dem Gemisch der Spaltprodukte auch das Prometium, allerdings vermischt mit einer Vielzahl anderer radioaktiver Stoffe. Es aus diesem hochradioaktiven Gemisch Herauszutrennen ist eine anspruchsvolle und aufwändige Aufgabe, die nur in speziell ausgestatteten Anlagen und unter größten Sicherheitsvorkehrungen möglich ist.

17:57 Alternativ lässt sich Prometium auch gezielt erzeugen, indem man das Nachbarelement Neodym mit Neutronen bestrahlt. Durch den Einfang eines Neutrons und einen anschließenden Zerfall verwandelt sich das Neodym dann in Prometium beide Verfahren sind teuer und liefern nur kleine Mengen, weshalb Prometium bis heute zu den seltenen und kostbaren Stoffen der Technik gehört. In seinen chemischen Eigenschaften unterscheidet sich das Prometium kaum von seinen Nachbarn unter den Seltenen Erden wie das Neodym und das Samarium tritt es fast immer in einer dreifach positiv geladenen Form auf, seine Verbindungen zeigen zarte Farben, ein blasses Rosa oder ein leichtes Gelb. Doch anders als bei allen

18:51 anderen Seltenen Erden lässt sich mit dem Promethium kaum in Ruhe experimentieren, denn seine ständige Strahlung erwärmt und verändert die Substanz fortwährend. Reines Prometiummetall glüht in der Dunkelheit sogar schwach in einem bläulichen oder grünlichen Schein, hervorgerufen durch die eigene Strahlung, die die umgebende Luft zum Leuchten anregt. Es ist ein gespenstischer Anblick, ein Metall, das aus sich selbst heraus leuchtet, ein sichtbares Zeichen der unaufhörlichen Umwandlung, die in seinem Inneren vor sich geht. Es lohnt sich, einen Augenblick über die besondere Stellung nachzudenken, die das Prometium unter den Seltenen Erden einnimmt.

19:39 Diese Gruppe von Elementen zeichnet sich dadurch aus, dass sich ihre Mitglieder chemisch außerordentlich ähnlich verhalten. Der Grund liegt darin, dass sich bei ihnen von Element zu Element eine tief im Atom verborgene Elektronenschale auffüllt, während die äußeren Elektronen, die für das chemische Verhalten verantwortlich sind, nahezu unverändert bleiben deshalb. Ähneln sich das Neodym, das Prometium und das Samarium in ihren chemischen Reaktionen so sehr, dass ihre Trennung eine der schwierigsten Aufgaben der Chemie darstellt? Und doch könnten ihre Schicksale kaum verschiedener sein, das Neodym und das Samarium besitzen stabile Isotope und kommen in der Natur in beträchtlichen Mengen vor, das Prometium dagegen.

20:34 Ist zwischen ihnen eingekeilt wie ein Fremdling ohne jede beständige Form, dazu verurteilt, aus der Welt zu verschwinden? Man kann sich das Periodensystem an dieser Stelle wie eine lange Reihe von Häusern vorstellen, in der ein einziges Leer steht und verfällt, während links und rechts davon das Leben blüht. Diese Nachbarschaft von Beständigkeit und Vergänglichkeit auf engstem Raum macht das Promedium für die Wissenschaft so lehrreich, denn an ihm lässt sich studieren, wo genau die Grenze zwischen einem dauerhaften und einem zum Zerfall bestimmten Atomkern verläuft. So steht das Prometium sinnbildlich für die Vergänglichkeit und zugleich für den menschlichen Forschergeist, der auch das Flüchtigste noch zu

21:26 fassen und zu verstehen sucht. Es ist ein Element, das uns daran erinnert, dass Beständigkeit in der Natur keine Selbstverständlichkeit ist. Alles, was uns fest und dauerhaft erscheint, die Gesteine unter unseren Füßen. Die Metalle in unseren Händen ist letztlich das Ergebnis eines feinen Gleichgewichts der Kräfte im Inneren der Atomkerne.

21:55 Das Prometium hat dieses Gleichgewicht nie erreicht und ist deshalb dazu verurteilt, immer wieder aufs Neue zu vergehen, und doch hat der Mensch gelernt, dieses vergängliche Element zu erzeugen, zu bändigen und für seine Zwecke zu nutzen. Darin liegt etwas zutiefst prometäisches, ganz im Sinne des Titanen, dessen Namen es trägt, wenn wir am Ende dieser Reise noch einen Gedanken mitnehmen wollen, dann vielleicht diesen. Das Promethium mahnt uns zur Achtsamkeit im Umgang mit den gewaltigen Kräften, die im Inneren der Materie schlummern. Die Kernenergie, aus der das Prometium hervorgeht, birgt ungeheure Möglichkeiten und ebenso ungeheure Gefahren. Ihr verantwortungsvoller Gebrauch, der die Sicherheit der Menschen und den Schutz unserer

22:52 Umwelt in den Mittelpunkt stellt, gehört zu den drängendsten Fragen unserer Zeit. Die radioaktiven Hinterlassenschaften, die bei der Nutzung der Kernkraft entstehen, werden uns. Und die kommenden Generationen über sehr lange Zeiträume begleiten. Ein Bedachtsamer, transparenter und gemeinschaftlich getragener Umgang mit ihnen ist Ausdruck der Verantwortung, die wir für unseren Planeten und für die Menschen nach uns tragen. Das leuchtende Phantom Promethium erinnert uns leise daran, dass wahre Meisterschaft nicht darin besteht, eine Kraft zu entfesseln, sondern darin.

23:34 Sie mit Weisheit und Umsicht zu lenken. Ich danke dir, dass du heute mit auf diese Reise durch das Periodensystem gekommen bist und wünsche dir eine ruhige und erholsame Zeit.