Polonium ist ein schweres Element, das ausschließlich durch den r-Prozess (schnelle Neutroneneinfang) bei explosiven Ereignissen wie Supernovae oder Neutronensternverschmelzungen erzeugt wird. Aufgrund seiner radioaktiven Isotope und relativ kurzen Halbwertszeiten (das längste, \(^{209}\mathrm{Po}\), hat eine Halbwertszeit von nur 125,2 Jahren) gibt es praktisch kein primordiales Polonium im Universum. Alles Polonium, das bei der Entstehung des Sonnensystems vorhanden war, ist längst zerfallen. Das heute auf der Erde gefundene Polonium ist entweder künstlich oder stammt aus dem Zerfall von Uran und Thorium in natürlichen radioaktiven Zerfallsketten.
Mehrere Isotope des Poloniums treten als Zwischenprodukte in den vier primordialen radioaktiven Zerfallsketten auf:
Diese sehr kurzlebigen Isotope werden ständig in uran- und thoriumhaltigen Mineralien produziert und verschwinden wieder, was zur natürlichen Radioaktivität beiträgt. \(^{210}\mathrm{Po}\) (Radium F) mit einer Halbwertszeit von 138,376 Tagen ist das langlebigste Mitglied der Uran-238-Kette und kann sich in messbaren Mengen ansammeln.
\(^{210}\mathrm{Po}\) wird als natürlicher Tracer in den Geowissenschaften verwendet. Es entsteht durch den Zerfall von Radon-222 (Gas) in der Atmosphäre und lagert sich auf erd- und ozeanischen Oberflächen ab. Sein Verhältnis zu seinem langlebigeren "Eltern"-Isotop \(^{210}\mathrm{Pb}\) (Halbwertszeit 22,3 Jahre) ermöglicht die Datierung von jüngeren marinen Sedimenten (über einige hundert Jahre), die Untersuchung von ozeanischen Mischungsprozessen, Bioproduktivität und Partikeltransport in der Atmosphäre.
Polonium wurde von seinen Entdeckern, Marie und Pierre Curie, 1898 nach Maries Heimatland Polen benannt (damals aufgeteilt zwischen dem Russischen Reich, Österreich-Ungarn und Preußen). Es war eine patriotische und politische Geste, um auf die polnische Unabhängigkeitsbewegung aufmerksam zu machen, als das Land nicht mehr auf den Karten existierte. Es war das erste Element, das nach einem Land benannt wurde.
Bei der Untersuchung der Radioaktivität von Pechblende (einem Uranerz) bemerkte Marie Curie, dass diese höher war, als durch den Urangehalt allein erklärt werden konnte. Sie und ihr Mann Pierre begannen eine titanische Arbeit der chemischen Reinigung von Tonnen von Erz. Im Juli 1898 kündigten sie die Entdeckung eines neuen Elements an, das sie Polonium nannten. Sie charakterisierten es durch seine intensive Radioaktivität und chemische Ähnlichkeit mit Wismut. Einige Monate später würden sie Radium entdecken, das noch radioaktiver war. Diese Entdeckungen brachten ihnen 1903 den Nobelpreis für Physik ein (zusammen mit Henri Becquerel).
Die Isolierung von Polonium in wägbaren Mengen war aufgrund seiner geringen Häufigkeit und starken Radioaktivität extrem schwierig. Erst nach vielen Jahren der Erzverarbeitung wurden mikroskopische Mengen reiner Poloniumsalze gewonnen. Die erste Beobachtung des Poloniumspektrums erfolgte 1910. Die Produktion im Gramm-Maßstab wurde erst mit der Entwicklung von Kernreaktoren möglich.
Heute wird Polonium-210 auf zwei Hauptwegen künstlich hergestellt:
Die weltweite Produktion ist sehr gering, in der Größenordnung von einigen hundert Gramm pro Jahr, hauptsächlich in Russland. Die Kosten sind extrem hoch (hunderttausende Dollar pro Gramm für hochreines \(^{210}\mathrm{Po}\)), aufgrund der Komplexität der Herstellung und Trennung sowie der damit verbundenen Risiken.
Polonium (Symbol Po, Ordnungszahl 84) ist ein Post-Übergangsmetall, das in Gruppe 16 (Sauerstoffgruppe oder Chalkogene) des Periodensystems steht, zusammen mit Sauerstoff, Schwefel, Selen, Tellur und Livermorium. Es ist das einzige Element dieser Gruppe, das ein Metall (bei Raumtemperatur) ist. Sein Atom hat 84 Protonen und, je nach Isotop, 122 bis 136 Neutronen. Das Isotop \(^{210}\mathrm{Po}\) hat 126 Neutronen. Seine Elektronenkonfiguration ist [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴, mit sechs Valenzelektronen (6s² 6p⁴).
Polonium ist ein silbergraues, weiches Metall, das chemisch seinen Verwandten Tellur und Wismut ähnelt.
Seine intensive Radioaktivität schädigt schnell seine Kristallstruktur und verursacht Selbstbestrahlung.
Polonium schmilzt bei 254 °C (527 K) und siedet bei 962 °C (1235 K). Seine Zerfallswärme kann diese Messungen für makroskopische Proben verfälschen.
Chemisch gesehen ist Polonium ein ziemlich reaktives Metall, ähnlich wie Tellur. Es löst sich in Säuren unter Bildung von Po(IV)-Lösungen (rosa) und oxidiert leicht an der Luft. Es bildet Verbindungen in den Oxidationsstufen -2, +2, +4 und +6, wobei +4 am stabilsten ist. Seine Verbindungen sind oft farbig (z. B. PoCl₄ ist gelb, PoBr₄ ist rot). Die Erforschung seiner Chemie ist jedoch aufgrund seiner intensiven Radioaktivität extrem schwierig und gefährlich.
Dichte (α-Po): 9,32 g/cm³.
Schmelzpunkt: 527 K (254 °C).
Siedepunkt: 1235 K (962 °C).
Kristallstruktur (α): Einfach kubisch (einzigartig unter den Elementen).
Elektronenkonfiguration: [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴.
Hauptoxidationszustand: +4.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Zerfallsart | Bemerkungen / Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Polonium-208 — \(^{208}\mathrm{Po}\) | 84 | 124 | 207,981246 u | Spur (radiogen) | 2,898 Jahre (α) | Mittellebiges Isotop, in der Thorium-Kette vorhanden. Kann künstlich hergestellt werden. |
| Polonium-209 — \(^{209}\mathrm{Po}\) | 84 | 125 | 208,982430 u | Spur (radiogen) | 125,2 Jahre (α, 99,99%; CE, 0,001%) | Isotop mit der längsten natürlichen Halbwertszeit. Wird hauptsächlich durch α-Zerfall von \(^{213}\mathrm{Bi}\) produziert. |
| Polonium-210 — \(^{210}\mathrm{Po}\) | 84 | 126 | 209,982874 u | Spur (radiogen) | 138,376 Tage (α) | Das wichtigste und bekannteste Isotop. Intensive Alpha-Radioaktivität (5,3 MeV). Wird in antistatischen Quellen, thermoelektrischen Generatoren und leider auch als Gift verwendet. Wird aus \(^{209}\mathrm{Bi}\) durch Neutronenbestrahlung hergestellt. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Polonium hat 84 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹⁴ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴ weist sechs Valenzelektronen in der 6. Schale (s² p⁴) auf. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(6), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁴.
K-Schale (n=1): 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): 32 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴).
O-Schale (n=5): 18 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d¹⁰).
P-Schale (n=6): 6 Elektronen (6s² 6p⁴).
Polonium hat 6 Valenzelektronen (6s² 6p⁴). Seine Chemie ähnelt der von Tellur, zeigt aber eine stärkere Tendenz zu niedrigeren Oxidationsstufen aufgrund des einsetzenden Inert-Paar-Effekts. Die wichtigsten Oxidationsstufen sind:
Die Chemie von Polonium ist aufgrund der extremen Gefahren bei der Handhabung kaum erforscht.
Poloniummetall oxidiert schnell an der Luft zu Poloniumdioxid (PoO₂), einem gelben Feststoff. Beim Erhitzen an der Luft können sich gemischte Oxide bilden.
Nur sehr wenige Poloniumverbindungen wurden hergestellt und im Detail untersucht, immer in winzigen Mengen und mit äußerster Vorsicht.
Wenn ein hochenergetisches Alpha-Teilchen (wie das von \(^{210}\mathrm{Po}\)) auf einen Beryllium-9-Kern trifft, findet eine Kernreaktion statt: \(^9\mathrm{Be} + \alpha \rightarrow \,^{12}\mathrm{C} + n\). Diese Reaktion erzeugt ein Neutron. Polonium-Beryllium (Po-Be)-Quellen waren daher tragbare Neutronenquellen, die verwendet wurden:
Aufgrund der kurzen Halbwertszeit von \(^{210}\mathrm{Po}\) (138 Tage) waren diese Quellen jedoch unpraktisch und mussten häufig ersetzt werden. Sie wurden weitgehend durch Quellen mit Americium-241 oder Californium-252 ersetzt.
Der intensive Zerfall von \(^{210}\mathrm{Po}\) setzt eine große Menge Wärme frei (140 W/g). Diese Wärme kann mit Thermoelementen (Seebeck-Effekt) in Strom umgewandelt werden. Polonium-210 wurde in einigen der ersten RTGs der Sowjets verwendet, um Geräte an abgelegenen Orten (Bojen, Wetterstationen) mit Strom zu versorgen. Aufgrund seiner kurzen Halbwertszeit nahm die Leistung jedoch schnell ab. Für Langzeit-Weltraummissionen wurde es zugunsten von Plutonium-238 (Halbwertszeit 87,7 Jahre) aufgegeben.
Polonium-210 ist eine der giftigsten bekannten Substanzen. Seine Gefährlichkeit ergibt sich aus mehreren Faktoren:
Die mittlere letale Dosis (LD50) für den Menschen durch Ingestion wird auf nur 1 Mikrogramm (1 µg) \(^{210}\mathrm{Po}\) geschätzt, was einer Aktivität von etwa 11 GBq entspricht.
Die Symptome einer akuten Vergiftung (wie im Fall Litvinenko) treten nach einigen Tagen auf und umfassen:
Schwieriger Nachweis: Polonium-210 emittiert keine signifikante Gammastrahlung (nur eine schwache Gamma-Strahlung bei 803 keV in 0,001% der Zerfälle). Der direkte Nachweis erfordert einen speziellen Alpha-Zähler oder die Messung der Radioaktivität in Exkrementen (Urin, Stuhl). Die Diagnose wird oft verzögert.
Begrenzte Behandlung: Es gibt kein spezifisches Gegenmittel. Die Behandlung ist symptomatisch (Transfusionen, Wachstumsfaktoren, Antibiotika) und zielt darauf ab, das Polonium zu eliminieren:
Polonium-210 ist überall in Spuren natürlich vorhanden (Böden, Wasser, Luft) aufgrund der Zerfallsketten. Höhere Konzentrationen finden sich in Uranerzen, Phosphatdüngern (die Uran enthalten) und... Tabakrauch. Tabakpflanzen nehmen das im Boden und in Düngemitteln vorhandene Polonium auf, und es konzentriert sich in den Blättern. Rauchen ist daher eine bedeutende Quelle für die interne Exposition gegenüber \(^{210}\mathrm{Po}\) für Raucher.
Aufgrund seiner extremen Toxizität und des Potenzials für böswillige Verwendung unterliegt Polonium-210 sehr strengen internationalen Kontrollen. Es ist als Kategorie-1-Radioaktivmaterial (das gefährlichste) durch die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) eingestuft. Sein Handel, Transport und seine Verwendung werden streng überwacht. Einrichtungen, die zur Handhabung berechtigt sind, müssen außergewöhnlich hohe nukleare Sicherheits- und Schutzstandards einhalten.
Abfälle, die Polonium enthalten, müssen so verpackt werden, dass ein langfristiger Einschluss gewährleistet ist, angesichts seiner Halbwertszeit von 138 Tagen. Nach einigen Jahren Lagerung in geeigneten Behältern hat die Aktivität erheblich abgenommen. Die Abfälle werden dann wie andere kurzlebige, mittelaktive radioaktive Abfälle behandelt.
Die zivilen Anwendungen von Polonium sind heute sehr begrenzt und rückläufig, ersetzt durch andere sicherere oder praktischere Radioisotope (Am-241, Pu-238, Cf-252). Sein Hauptinteresse bleibt:
Polonium wird für immer mit dem Genie und Mut von Marie Curie sowie dem düsteren Schatten seiner tödlichen Toxizität verbunden bleiben.
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