Radium ist ein entscheidendes Zwischenelement in der Uran-238-Zerfallskette (4n+2-Serie). Es entsteht durch den Alpha-Zerfall von Thorium-230 (Ionium) und zerfällt selbst durch Alpha-Emission zu Radon-222. Es gibt mehrere Radiumisotope in verschiedenen Ketten, aber das wichtigste ist Radium-226 (Halibwertszeit 1600 Jahre), das in uralten Mineralien im säkularen Gleichgewicht mit Uran-238 steht. Seine Anwesenheit und relative Häufigkeit sind daher direkt mit dem Urangehalt der Umgebung verbunden.
Das isotopische System Uran-Thorium/Radium wird zur Datierung geologischer Prozesse auf Zeitskalen von einigen Jahren bis etwa 500.000 Jahren verwendet. Das Verhältnis \(^{226}\mathrm{Ra}/^{230}\mathrm{Th}\) ist besonders nützlich zur Datierung von marinen Karbonaten (Korallen, Konkretionen) und jüngeren ozeanischen Sedimenten. Da Radium löslicher als Thorium ist, wird es von den Kontinenten ausgelaugt und in die Ozeane transportiert. Die Messung seiner Aktivität in Sedimentkernen ermöglicht die Rekonstruktion von Sedimentationsraten und vergangenen Klimaveränderungen.
Radium hat vier natürliche Isotope mit unterschiedlichen Halbwertszeiten (\(^{223}\mathrm{Ra}\), 11,4 Tage; \(^{224}\mathrm{Ra}\), 3,66 Tage; \(^{226}\mathrm{Ra}\), 1600 Jahre; \(^{228}\mathrm{Ra}\), 5,75 Jahre). Diese "Kette" von Isotopen mit abnehmenden Zeitskalen macht es zu einem idealen Tracer für Prozesse auf verschiedenen Skalen:
Radium-226 in Böden und Gesteinen ist die direkte Quelle für Radon-222, ein radioaktives Gas, das in Gebäude eindringt. Der Radiumgehalt eines Bodens ist daher der Hauptbestimmungsfaktor für das Radonpotenzial einer Region.
Der Name "Radium" wurde von seinen Entdeckern, Pierre und Marie Curie, gewählt und leitet sich vom lateinischen Wort "radius" ab, was "Strahl" bedeutet. Dieser Name feiert die auffälligste Eigenschaft des neuen Elements: seine intensive Radioaktivität, die sich durch die Emission von unsichtbaren, aber nachweisbaren "Strahlen" äußert. Die Curies hatten bereits "Polonium" benannt; "Radium" vervollständigte das Paar radioaktiver Elemente, die sie aus Pechblende (einem Uranerz) extrahiert hatten.
1898, aufbauend auf den Arbeiten von Henri Becquerel (1852-1903) über Uran, entdeckte Marie Curie (1867-1934), dass Pechblende (ein Uranerz) viel radioaktiver als reines Uran war. Sie schloss daraus, zusammen mit ihrem Mann Pierre, die Anwesenheit unbekannter, radioaktiverer Elemente. Nach monatelanger titanischer und körperlich anstrengender Arbeit in einer primitiven Hütte gelang es ihnen, zwei neue Elemente zu isolieren: zuerst Polonium (Juli 1898), dann Radium (Dezember 1898). Sie kündigten es am 26. Dezember 1898 der Akademie der Wissenschaften an. Der endgültige Beweis und die Isolierung von Radium in Form von reinem Chlorid (RaCl₂) kamen erst 1902, nach der Verarbeitung mehrerer Tonnen Erz.
Reines metallisches Radium wurde 1910 erstmals von Marie Curie in Zusammenarbeit mit André-Louis Debierne (1874-1949) durch Elektrolyse von geschmolzenem Radiumchlorid an einer Quecksilberkathode, gefolgt von der Destillation des Quecksilbers, isoliert. Dieser Erfolg festigte Marie Curies internationalen Ruhm, die 1911 einen zweiten Nobelpreis (diesmal für Chemie) erhielt und damit die erste Person wurde, die zwei Nobelpreise in verschiedenen Disziplinen gewann.
Die außergewöhnlichen Eigenschaften von Radium—seine intensive Radioaktivität, spontane Lumineszenz (durch Anregung von Luft oder Verunreinigungen) und Zerfallswärme—machten es zu einer wahren wissenschaftlichen und kommerziellen Berühmtheit. Man schrieb ihm fast wundersame Eigenschaften zu, was zu einer regelrechten Begeisterung führte:
Diese Zeit illustriert die Kluft zwischen der Faszination für eine neue Technologie und dem Verständnis ihrer Gefahren.
Radium kommt nicht in elementarer Form vor. Es ist in winzigen Mengen (etwa 1 Teil pro 10¹¹) in Uranerzen, hauptsächlich Pechblende (UO₂) und Carnotit (K₂(UO₂)₂(VO₄)₂·3H₂O), enthalten. Historisch gesehen waren die reichsten Minen in Joachimsthal (heute Tschechische Republik) und im Belgischen Kongo. Die Extraktion war extrem schwierig und kostspielig: Hunderte von Tonnen Erz mussten verarbeitet werden, um ein Gramm Radium zu gewinnen, was es zur teuersten Substanz der Welt machte (bis zu 120.000 Dollar pro Gramm in den 1910er Jahren, heute mehrere Millionen).
Heute wird Radium nicht mehr absichtlich produziert. Das wenig, das in der Medizin verwendet wird, stammt aus historischen Beständen oder wird als Nebenprodukt der nuklearen Abfallbehandlung gewonnen. Die Nachfrage ist fast verschwunden.
Radium (Symbol Ra, Ordnungszahl 88) ist ein Element der Gruppe 2, der Erdalkalimetalle. Es ist das schwerste und radioaktivste Mitglied dieser Familie, zu der Beryllium, Magnesium, Calcium, Strontium und Barium gehören. Sein Atom hat 88 Protonen und, je nach Isotop, 135 bis 150 Neutronen. Das stabilste Isotop, \(^{226}\mathrm{Ra}\), hat 138 Neutronen. Seine Elektronenkonfiguration ist [Rn] 7s², mit zwei Valenzelektronen in der 7s-Schale.
Radium ist ein silberweißes Erdalkalimetall, das an der Luft schnell durch Oxidation und Nitridierung schwärzt. Seine Eigenschaften werden weitgehend von denen des Bariums abgeleitet, sind aber durch seine intensive Radioaktivität kompliziert.
In fester Form kristallisiert es in einer kubisch-raumzentrierten Struktur.
Geschätzter Schmelzpunkt: ~973 K (~700 °C).
Geschätzter Siedepunkt: ~2010 K (~1737 °C).
Chemisch gesehen ähnelt Radium sehr dem Barium, ist aber noch reaktiver. Es ist ein sehr elektropositives Metall.
Die Chemie des Radiums ist aufgrund seiner Radioaktivität und der Bildung von Zerfallsprodukten, die Lösungen verunreinigen, schwer zu studieren.
Ordnungzahl: 88.
Gruppe: 2 (Erdalkalimetalle).
Elektronenkonfiguration: [Rn] 7s².
Oxidationszustand: +2 (ausschließlich).
Stabilstes Isotop: \(^{226}\mathrm{Ra}\) (T½ = 1600 Jahre).
Aussehen: Silberweißes Metall, das an der Luft schwärzt.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Elternkette | Halibwertszeit / Zerfallsmodus | Bemerkungen / Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Radium-223 — \(^{223}\mathrm{Ra}\) | 88 | 135 | 223,018502 u | Uran-235 (4n+3) | 11,43 Tage (α) | In der Medizin unter dem Handelsnamen Xofigo® zur Behandlung schmerzhafter Knochenmetastasen bei Prostatakrebs (gezielte Alpha-Therapie) eingesetzt. |
| Radium-224 — \(^{224}\mathrm{Ra}\) | 88 | 136 | 224,020212 u | Thorium-232 (4n) | 3,66 Tage (α) | Historisch in der Medizin verwendet. Heute für die Alpha-Therapie untersucht. |
| Radium-226 — \(^{226}\mathrm{Ra}\) | 88 | 138 | 226,025410 u | Uran-238 (4n+2) | 1600 Jahre (α) | Das historische und wichtigste Isotop. Von den Curies entdeckt. Jahrzehntelang in der Curietherapie und in Leuchtfarben verwendet. Quelle von Radon-222. |
| Radium-228 — \(^{228}\mathrm{Ra}\) | 88 | 140 | 228,031070 u | Thorium-232 (4n) | 5,75 Jahre (β⁻) | Mesothorium I. Historisch separat in Leuchtfarben verwendet. Produkt von Thorium-228. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Radium hat 88 Elektronen, die auf sieben Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Rn] 7s² ist einfach: Sie besteht aus der Konfiguration von Radon (ein Edelgas) plus zwei zusätzlichen Elektronen in der 7s-Schale. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(32) O(18) P(8) Q(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 4f¹⁴ 5s² 5p⁶ 5d¹⁰ 6s² 6p⁶ 7s².
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): 8 Elektronen (6s² 6p⁶).
Q-Schale (n=7): 2 Elektronen (7s²).
Radium hat zwei Valenzelektronen (7s²). Wie andere Erdalkalimetalle verliert es leicht diese beiden Elektronen, um das Ra²⁺-Ion zu bilden und so die stabile Konfiguration des Edelgases Radon zu erreichen. Diese hohe Elektropositivität erklärt seine große Reaktivität mit Wasser und Säuren.
In den 1910er- und 1920er-Jahren beschäftigte die U.S. Radium Corporation Hunderte junger Frauen, um Uhrenzifferblätter von Hand mit Radiumfarbe zu bemalen. Um eine feine Spitze zu erhalten, wurden die Arbeiterinnen ermutigt, ihre Pinsel mit den Lippen zu spitzen ("lip-pointing"), wodurch sie täglich kleine Mengen Radium aufnahmen. Darüber hinaus arbeiteten sie in staubigen Werkstätten und bemalten sich manchmal Haare und Nägel mit der fluoreszierenden Farbe zum Spaß.
Bereits Anfang der 1920er-Jahre begannen die Arbeiterinnen, schreckliche Krankheiten zu entwickeln: schwere Anämie, Kiefernekrose ("Radiumkiefer") (die Kieferknochen zerfielen buchstäblich), spontane Knochenbrüche, Knochensarkome und verschiedene Krebsarten. Die Ärzte waren zunächst ratlos, doch der Zusammenhang mit Radium wurde von Dr. Harrison Martland (1883-1954) hergestellt. Radium verhielt sich nach der Aufnahme wie Kalzium und lagerte sich in den Knochen ein, wo es jahrzehntelang das Knochenmark und das umliegende Gewebe von innen bestrahlte.
Fünf Arbeiterinnen, die "Radium Girls" (darunter Grace Fryer und Katherine Schaub), reichten 1927 eine viel beachtete Klage gegen ihren Arbeitgeber ein. Trotz der Verzögerungstaktiken des Unternehmens und des schlechten Gesundheitszustands der Klägerinnen gewannen sie 1928 den Prozess. Dieser Prozess:
Die Toxizität von Radium ist rein radiologisch (im Gegensatz zu Blei oder Quecksilber, die chemisch toxisch sind). Sobald es in den Körper aufgenommen wurde (hauptsächlich durch Einnahme, selten durch Einatmen von Staub), folgt das Ra²⁺-Ion dem Stoffwechsel von Kalzium:
Langfristige epidemiologische Studien an Radiumarbeiterinnen, mit Radium behandelten Patienten und Uhrmachern lieferten grundlegende Daten über die Auswirkungen interner Alpha-Strahlung.
Heute wird Radium mit drastischen Vorsichtsmaßnahmen gehandhabt:
Die früheren industriellen Anwendungen von Radium haben ein Erbe von kontaminierten Standorten hinterlassen (ehemalige Leuchtfarbenfabriken, Uhrmacherwerkstätten, Abfalldeponien). Die lange Halbwertszeit von Ra-226 (1600 Jahre) bedeutet, dass diese Kontamination Jahrtausende anhalten wird.
Sammler und Museen müssen sich des Risikos bewusst sein. Die Objekte müssen in belüfteten Vitrinen aufbewahrt, mit Handschuhen gehandhabt und niemals ohne Fachkenntnis geöffnet oder repariert werden. Abblätternde Farbe ist besonders gefährlich.
Das Zeitalter des Radiums als Wundermaterial ist vorbei. Seine Zukunft liegt in zwei sehr unterschiedlichen Bereichen:
Radium wird in die Geschichte als das Element eingehen, das das Zeitalter der Radioaktivität eröffnete, mit seinem Anteil an wissenschaftlichem Genie, naivem Enthusiasmus und menschlichem Leid, das schließlich zu strengen Vorschriften und einem scharfen Bewusstsein für radiologische Risiken führte.
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