Radium

Radium, ₈₈Ra ⓘ
Radium
Aussprache	/ˈreɪdiəm/ (RAY-dee-əm)
Erscheinungsbild	silbrig weiß metallisch
Massenzahl	[226]
Radium im Periodensystem
	Francium ← Radium → Actinium
Ordnungszahl (Z)	88
Gruppe	Gruppe 2 (Erdalkalimetalle)
Periode	Periode 7
Block	s-Block
Elektronen-Konfiguration	[[[Radon\|Rn]]] 7s2
Elektronen pro Schale	2, 8, 18, 32, 18, 8, 2
Physikalische Eigenschaften
Phase bei STP	fest
Schmelzpunkt	973 K (700 °C, 1292 °F) (umstritten)
Siedepunkt	2010 K (1737 °C, 3159 °F)
Dichte (nahe r.t.)	5,5 g/cm3
Schmelzwärme	8,5 kJ/mol
Verdampfungswärme	113 kJ/mol
Atomare Eigenschaften
Oxidationsstufen	+2 (erwartet ein stark basisches Oxid)
Elektronegativität	Pauling-Skala: 0.9
Ionisierungsenergien	1: 509,3 kJ/mol ; 2.: 979,0 kJ/mol ; ;
Kovalenter Radius	221±2 pm
Van-der-Waals-Radius	283 pm
	Spektrallinien von Radium
Andere Eigenschaften
Natürliches Vorkommen	durch Zerfall
Kristallstruktur	kubisch-raumzentriert (bcc)
Wärmeleitfähigkeit	18,6 W/(m⋅K)
Elektrischer Widerstand	1 µΩ⋅m (bei 20 °C)
Magnetische Ordnung	nichtmagnetisch
CAS-Nummer	7440-14-4
Geschichte
Entdeckung	Pierre und Marie Curie (1898)
Erste Isolierung	Marie Curie (1910)
Die wichtigsten Isotope des Radiums
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Radium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Ra und der Ordnungszahl 88. Es ist das sechste Element der Gruppe 2 des Periodensystems, auch bekannt als Erdalkalimetalle. Reines Radium ist silbrig-weiß, reagiert aber an der Luft leicht mit Stickstoff (und nicht mit Sauerstoff) und bildet eine schwarze Oberflächenschicht aus Radiumnitrid (Ra₃N₂). Alle Isotope des Radiums sind hochradioaktiv, wobei das stabilste Isotop Radium-226 ist, das eine Halbwertszeit von 1600 Jahren hat und in Radongas (insbesondere das Isotop Radon-222) zerfällt. Beim Zerfall von Radium entsteht als Nebenprodukt ionisierende Strahlung, die fluoreszierende Chemikalien anregen und Radiolumineszenz verursachen kann. ⓘ

Radium, in Form von Radiumchlorid, wurde 1898 von Marie und Pierre Curie aus dem in Joachimsthal abgebauten Erz entdeckt. Sie extrahierten die Radiumverbindung aus Uraninit und veröffentlichten ihre Entdeckung fünf Tage später in der französischen Akademie der Wissenschaften. Das Radium wurde 1911 von Marie Curie und André-Louis Debierne durch die Elektrolyse von Radiumchlorid in seinem metallischen Zustand isoliert. ⓘ

In der Natur kommt Radium in Uran- und (in geringerem Maße) Thoriumerzen in Spuren vor, die bis zu einem Siebtel Gramm pro Tonne Uraninit reichen. Radium ist für lebende Organismen nicht notwendig, und aufgrund seiner Radioaktivität und chemischen Reaktivität sind negative Auswirkungen auf die Gesundheit wahrscheinlich, wenn es in biochemische Prozesse eingebunden wird. Abgesehen von seiner Verwendung in der Nuklearmedizin hat Radium seit 2014 keine kommerziellen Anwendungen mehr. Früher, etwa in den 1950er Jahren, wurde es als radioaktive Quelle für Radiolumineszenzgeräte und auch in der radioaktiven Quacksalberei wegen seiner angeblichen Heilkraft verwendet. Diese Anwendungen sind aufgrund der Toxizität des Radiums obsolet geworden; ab 2020 werden stattdessen weniger gefährliche Isotope (anderer Elemente) in Radiolumineszenzgeräten verwendet. ⓘ

Radium (lateinisch radius ‚Strahl‘, wegen seiner Radioaktivität, wie auch Radon) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ra und der Ordnungszahl 88. Im Periodensystem steht es in der 2. Hauptgruppe, bzw. der 2. IUPAC-Gruppe und zählt damit zu den Erdalkalimetallen. ⓘ

Masse-Eigenschaften

Radium ist das schwerste bekannte Erdalkalimetall und das einzige radioaktive Mitglied seiner Gruppe. Seine physikalischen und chemischen Eigenschaften ähneln am meisten seinem leichteren Verwandten, dem Barium. ⓘ

Reines Radium ist ein flüchtiges silbrig-weißes Metall, obwohl seine leichteren Verwandten Calcium, Strontium und Barium einen leichten Gelbstich aufweisen. An der Luft verschwindet diese Färbung schnell und es bildet sich eine schwarze Schicht aus Radiumnitrid (Ra₃N₂). Sein Schmelzpunkt liegt entweder bei 700 °C (1.292 °F) oder 960 °C (1.760 °F) und sein Siedepunkt bei 1.737 °C (3.159 °F); dies ist jedoch nicht genau festgelegt. Beide Werte liegen geringfügig unter denen von Barium, was die periodische Entwicklung der Elemente der Gruppe 2 bestätigt. Wie Barium und die Alkalimetalle kristallisiert Radium bei Standardtemperatur und -druck in der kubisch-raumzentrierten Struktur: Der Bindungsabstand zwischen Radium und Radium beträgt 514,8 Picometer. Die Dichte von Radium ist mit 5,5 g/cm³ höher als die von Barium, was wiederum die Tendenzen des Periodensystems bestätigt. Das Verhältnis der Dichte von Radium und Barium ist vergleichbar mit dem Verhältnis der Atommasse von Radium und Barium, was auf die ähnliche Kristallstruktur der beiden Elemente zurückzuführen ist. ⓘ

Isotope

Zerfallskette von ²³⁸U, dem primären Vorläufer von ²²⁶Ra ⓘ

Radium hat 33 bekannte Isotope mit Massenzahlen von 202 bis 234, die alle radioaktiv sind. Vier davon - ²²³Ra (Halbwertszeit 11,4 Tage), ²²⁴Ra (3,64 Tage), ²²⁶Ra (1600 Jahre) und ²²⁸Ra (5,75 Jahre) - kommen natürlich in den Zerfallsketten von primordialem Thorium-232, Uran-235 und Uran-238 vor (²²³Ra aus Uran-235, ²²⁶Ra aus Uran-238 und die beiden anderen aus Thorium-232). Diese Isotope haben jedoch noch zu kurze Halbwertszeiten, um primordiale Radionuklide zu sein, und kommen in der Natur nur aus diesen Zerfallsketten vor. Zusammen mit dem meist künstlichen ²²⁵Ra (15 d), das in der Natur nur als Zerfallsprodukt kleinster Spuren von Neptunium-237 vorkommt, sind dies die fünf stabilsten Isotope des Radiums. Alle anderen 27 bekannten Radiumisotope haben Halbwertszeiten von weniger als zwei Stunden, die meisten sogar von weniger als einer Minute. Mindestens 12 nukleare Isomere sind bekannt; das stabilste von ihnen ist Radium-205m mit einer Halbwertszeit zwischen 130 und 230 Millisekunden; das ist immer noch kürzer als vierundzwanzig Radiumisotope im Grundzustand. ⓘ

In den Anfängen der Radioaktivitätsforschung wurden die verschiedenen natürlichen Isotope des Radiums mit unterschiedlichen Namen bezeichnet. In diesem Schema wurde ²²³Ra Actinium X (AcX), ²²⁴Ra Thorium X (ThX), ²²⁶Ra Radium (Ra) und ²²⁸Ra Mesothorium 1 (MsTh₁) genannt. Als man erkannte, dass es sich dabei um Isotope desselben Elements handelt, wurden viele dieser Bezeichnungen nicht mehr verwendet, und der Begriff "Radium" wurde für alle Isotope verwendet, nicht nur für ²²⁶Ra. Einige der Zerfallsprodukte von Radium-226 erhielten historische Namen wie "Radium", die von Radium A bis Radium G reichen, wobei der Buchstabe ungefähr angibt, wie weit sie in der Kette von ihrem Elternteil ²²⁶Ra entfernt sind. Radium-Emanation = ²²²Rn, RaA = ²¹⁸Po, RaB = ²¹⁴Pb, RaC = ²¹⁴Bi, RaC₁ = ²¹⁴Po, RaC₂ = ²¹⁰Tl, RaD = ²¹⁰Pb, RaE = ²¹⁰Bi, RaF = ²¹⁰Po und RaG = ²⁰⁶Pb. ⓘ

²²⁶Ra ist das stabilste Isotop des Radiums und das letzte Isotop in der (4n + 2)-Zerfallskette von Uran-238 mit einer Halbwertszeit von mehr als einem Jahrtausend: Es macht fast das gesamte natürliche Radium aus. Sein unmittelbares Zerfallsprodukt ist das dichte radioaktive Edelgas Radon (genauer gesagt das Isotop ²²²Rn), das für einen Großteil der Gefahren durch Radium in der Umwelt verantwortlich ist. Aufgrund seiner proportional kürzeren Halbwertszeit ist es 2,7 Millionen Mal radioaktiver als die gleiche molare Menge natürlichen Urans (hauptsächlich Uran-238). ⓘ

Eine Radiummetallprobe hält sich aufgrund der von ihr ausgehenden Strahlung - Alphateilchen, Betateilchen und Gammastrahlen - auf einer höheren Temperatur als ihre Umgebung. Genauer gesagt emittiert natürliches Radium (hauptsächlich ²²⁶Ra) hauptsächlich Alphateilchen, aber andere Stufen in seiner Zerfallskette (die Uran- oder Radiumreihe) emittieren Alpha- oder Betateilchen, und fast alle Teilchenemissionen werden von Gammastrahlen begleitet. ⓘ

Im Jahr 2013 wurde am CERN mit Hilfe einer Technik namens Coulomb-Anregung entdeckt, dass der Kern von Radium-224 birnenförmig ist. Dies war die erste Entdeckung eines asymmetrischen Kerns. Dies ist ein starker Indizienbeweis dafür, dass bestimmte schwere, instabile Atomkerne verzerrte Kerne haben, in diesem Fall eine Birnenform. ⓘ

Chemie

Radium ist wie Barium ein hochreaktives Metall, das stets die Gruppenoxidationsstufe +2 aufweist und in wässriger Lösung das farblose Kation Ra²⁺ bildet, das stark basisch ist und nicht ohne weiteres Komplexe bildet. Die meisten Radiumverbindungen sind daher einfache ionische Verbindungen, obwohl aufgrund relativistischer Effekte eine Beteiligung der 6s und 6p Elektronen (zusätzlich zu den 7s Valenzelektronen) zu erwarten ist und den kovalenten Charakter von Radiumverbindungen wie RaF₂ und RaAt₂ verstärken würde. Aus diesem Grund liegt das Standardelektrodenpotential für die Halbreaktion Ra²⁺ (aq) + 2e- → Ra (s) bei -2,916 V und damit sogar etwas unter dem Wert von -2,92 V für Barium, während die Werte zuvor in der Gruppe gleichmäßig angestiegen waren (Ca: -2,84 V; Sr: -2,89 V; Ba: -2,92 V). Die Werte für Barium und Radium stimmen fast genau mit denen der schwereren Alkalimetalle Kalium, Rubidium und Cäsium überein. ⓘ

Verbindungen

Feste Radiumverbindungen sind weiß, da Radiumionen keinen spezifischen Farbstoff liefern, aber sie werden allmählich gelb und dann im Laufe der Zeit aufgrund der Selbstradiolyse durch den Alphazerfall des Radiums dunkel. Unlösliche Radiumverbindungen fallen zusammen mit allen Barium-, den meisten Strontium- und den meisten Bleiverbindungen aus. ⓘ

Radiumoxid (RaO) wurde bisher nicht gut charakterisiert, obwohl Oxide der anderen Erdalkalimetalle häufig vorkommen. Radiumhydroxid (Ra(OH)₂) ist das am leichtesten lösliche der Erdalkalihydroxide und eine stärkere Base als sein Bariumverwandter, Bariumhydroxid. Es ist auch besser löslich als Actiniumhydroxid und Thoriumhydroxid: Diese drei benachbarten Hydroxide können durch Ausfällung mit Ammoniak getrennt werden. ⓘ

Radiumchlorid (RaCl₂) ist eine farblose, leuchtende Verbindung. Es wird nach einiger Zeit gelb, da es durch die Alphastrahlung, die das Radium beim Zerfall abgibt, selbst geschädigt wird. Geringe Mengen von Bariumverunreinigungen verleihen der Verbindung eine rosa Farbe. Es ist wasserlöslich, wenn auch weniger gut als Bariumchlorid, und seine Löslichkeit nimmt mit zunehmender Konzentration von Salzsäure ab. Bei der Kristallisation aus wässriger Lösung entsteht das Dihydrat RaCl₂-2H₂O, das isomorph mit seinem Bariumanalogon ist. ⓘ

Radiumbromid (RaBr₂) ist ebenfalls eine farblose, leuchtende Verbindung. In Wasser ist es besser löslich als Radiumchlorid. Wie bei Radiumchlorid ergibt die Kristallisation aus wässriger Lösung das Dihydrat RaBr₂-2H₂O, das mit seinem Bariumanalogon isomorph ist. Die von Radiumbromid ausgehende ionisierende Strahlung regt die Stickstoffmoleküle in der Luft an und bringt sie zum Glühen. Die von Radium emittierten Alphateilchen nehmen schnell zwei Elektronen auf und werden zu neutralem Helium, das sich im Inneren von Radiumbromidkristallen ansammelt und diese schwächt. Dieser Effekt führt manchmal dazu, dass die Kristalle brechen oder sogar explodieren. ⓘ

Radiumnitrat (Ra(NO₃)₂) ist eine weiße Verbindung, die durch Auflösen von Radiumcarbonat in Salpetersäure hergestellt werden kann. Mit zunehmender Konzentration der Salpetersäure nimmt die Löslichkeit von Radiumnitrat ab, eine wichtige Eigenschaft für die chemische Reinigung von Radium. ⓘ

Radium bildet fast die gleichen unlöslichen Salze wie sein leichteres Pendant Barium: Es bildet das unlösliche Sulfat (RaSO₄, das unlöslichste bekannte Sulfat), Chromat (RaCrO₄), Carbonat (RaCO₃), Jodat (Ra(IO₃)₂), Tetrafluoroberyllat (RaBeF₄) und Nitrat (Ra(NO₃)₂). Mit Ausnahme des Carbonats sind alle diese Salze weniger wasserlöslich als die entsprechenden Bariumsalze, aber sie haben alle die gleiche Struktur wie ihre Barium-Gegenstücke. Darüber hinaus sind Radiumphosphat, Oxalat und Sulfit wahrscheinlich ebenfalls unlöslich, da sie mit den entsprechenden unlöslichen Bariumsalzen kopräzipitieren. Die große Unlöslichkeit von Radiumsulfat (bei 20 °C lösen sich nur 2,1 mg in 1 kg Wasser) bedeutet, dass es zu den biologisch weniger gefährlichen Radiumverbindungen gehört. Der große Ionenradius von Ra²⁺ (148 pm) führt zu einer schwachen Komplexbildung und einer schlechten Extraktion von Radium aus wässrigen Lösungen, wenn der pH-Wert nicht hoch ist. ⓘ

Vorkommen

Alle Radium-Isotope haben Halbwertszeiten, die viel kürzer sind als das Alter der Erde, so dass jegliches ursprüngliche Radium schon vor langer Zeit zerfallen sein müsste. Radium kommt dennoch in der Umwelt vor, da die Isotope ²²³Ra, ²²⁴Ra, ²²⁶Ra und ²²⁸Ra Teil der Zerfallsketten der natürlichen Thorium- und Uranisotope sind; da Thorium und Uran sehr lange Halbwertszeiten haben, werden diese Töchter durch ihren Zerfall ständig regeneriert. Von diesen vier Isotopen ist das langlebigste ²²⁶Ra (Halbwertszeit 1600 Jahre), ein Zerfallsprodukt des natürlichen Urans. Aufgrund seiner relativen Langlebigkeit ist ²²⁶Ra das am häufigsten vorkommende Isotop des Elements, das etwa ein Teil pro Billion in der Erdkruste ausmacht; im Wesentlichen besteht alles natürliche Radium aus ²²⁶Ra. So kommt Radium in winzigen Mengen im Uranerz Uraninit und in verschiedenen anderen Uranmineralien vor, und in noch geringeren Mengen in Thoriummineralien. Eine Tonne Pechblende enthält normalerweise etwa ein Siebtel Gramm Radium. Ein Kilogramm der Erdkruste enthält etwa 900 Pikogramm Radium, und ein Liter Meerwasser enthält etwa 89 Femtogramm Radium. ⓘ

Geschichte

Marie und Pierre Curie beim Experimentieren mit Radium, eine Zeichnung von André Castaigne ⓘ

Glasröhrchen mit Radiumchlorid, das vom US Bureau of Standards aufbewahrt wurde und 1927 als primärer Standard für Radioaktivität in den Vereinigten Staaten diente. ⓘ

Das Radium wurde am 21. Dezember 1898 von Marie Skłodowska-Curie und ihrem Mann Pierre Curie in einer Uraninitprobe (Pechblende) aus Joachimsthal entdeckt. Bei der Untersuchung des Minerals hatten die Curies Uran entnommen und festgestellt, dass das verbleibende Material immer noch radioaktiv war. Im Juli 1898 isolierten sie bei der Untersuchung von Pechblende ein dem Wismut ähnliches Element, das sich als Polonium herausstellte. Anschließend isolierten sie ein radioaktives Gemisch, das aus zwei Komponenten bestand: Verbindungen von Barium, die eine leuchtend grüne Flammenfarbe erzeugten, und unbekannte radioaktive Verbindungen, die karminrote Spektrallinien erzeugten, die zuvor noch nie dokumentiert worden waren. Die Curies fanden heraus, dass die radioaktiven Verbindungen den Bariumverbindungen sehr ähnlich waren, allerdings waren sie weniger löslich. Diese Entdeckung ermöglichte es den Curies, die radioaktiven Verbindungen zu isolieren und in ihnen ein neues Element zu entdecken. Die Curies gaben ihre Entdeckung am 26. Dezember 1898 vor der französischen Akademie der Wissenschaften bekannt. Die Namensgebung für Radium geht auf das Jahr 1899 zurück, und zwar auf das französische Wort radium, das aus dem neulateinischen Wort radius (Strahl) gebildet wurde: Damit wurde die Fähigkeit des Radiums anerkannt, Energie in Form von Strahlen auszusenden. ⓘ

Im September 1910 gaben Marie Curie und André-Louis Debierne bekannt, dass sie Radium als reines Metall durch Elektrolyse einer reinen Radiumchloridlösung (RaCl₂) mit einer Quecksilberkathode isoliert hatten, wobei ein Radium-Quecksilber-Amalgam entstand. Dieses Amalgam wurde dann in einer Wasserstoffgasatmosphäre erhitzt, um das Quecksilber zu entfernen, so dass reines Radiummetall übrig blieb. Noch im selben Jahr isolierte E. Eoler Radium durch thermische Zersetzung seines Azids Ra(N₃)₂. Radiummetall wurde erstmals zu Beginn des 20. Jahrhunderts von Biraco, einer Tochtergesellschaft der Union Minière du Haut Katanga (UMHK), in ihrem Werk in Olen (Belgien) industriell hergestellt. ⓘ

Die allgemeine historische Einheit für Radioaktivität, das Curie, basiert auf der Radioaktivität von ²²⁶Ra: die Menge an Radioaktivität, die von einem Gramm Radium freigesetzt wird, entspricht einem Curie. ⓘ

Historische Anwendungen

Lumineszierende Farbe

Selbstleuchtende weiße Farbe, die Radium enthält, auf dem Zifferblatt und den Zeigern einer alten Uhr. ⓘ

Radium-Uhrenzeiger unter ultraviolettem Licht ⓘ

Radium wurde früher in selbstleuchtenden Farben für Uhren, nukleare Schalttafeln, Flugzeugschalter, Uhren und Instrumentenzifferblätter verwendet. Eine typische selbstleuchtende Uhr, für die Radiumfarbe verwendet wird, enthält etwa 1 Mikrogramm Radium. Mitte der 1920er Jahre reichten fünf sterbende "Radium Girls" - Zifferblattmalerinnen, die die Zifferblätter von Uhren mit Leuchtfarbe auf Radiumbasis bemalt hatten - eine Klage gegen die United States Radium Corporation ein. Die Zifferblattmalerinnen wurden angewiesen, ihre Pinsel abzulecken, um ihnen eine feine Spitze zu verleihen, und nahmen dabei Radium auf. Die Radiumexposition führte zu schwerwiegenden gesundheitlichen Folgen wie Wunden, Anämie und Knochenkrebs. Der Grund dafür ist, dass der Körper Radium wie Kalzium behandelt und es in den Knochen ablagert, wo die Radioaktivität das Knochenmark zersetzt und die Knochenzellen mutieren kann. ⓘ

Während des Rechtsstreits wurde festgestellt, dass die Wissenschaftler und die Geschäftsleitung des Unternehmens beträchtliche Vorsichtsmaßnahmen ergriffen hatten, um sich selbst vor den Auswirkungen der Strahlung zu schützen, was aber offenbar nicht für ihre Mitarbeiter galt. Darüber hinaus hatten die Unternehmen mehrere Jahre lang versucht, die Auswirkungen zu vertuschen und sich der Haftung zu entziehen, indem sie behaupteten, die Radium Girls litten stattdessen an Syphilis. Diese völlige Missachtung des Wohlergehens der Arbeitnehmer hatte erhebliche Auswirkungen auf die Formulierung des Arbeitsrechts für Berufskrankheiten. ⓘ

Infolge des Prozesses wurden die schädlichen Auswirkungen der Radioaktivität weithin bekannt, und die Radium-Zifferblattmaler wurden in den richtigen Sicherheitsvorkehrungen unterwiesen und mit Schutzausrüstung ausgestattet. Insbesondere leckten sie nicht mehr an den Pinseln, um sie in Form zu bringen (was zu einer gewissen Aufnahme von Radiumsalzen führte). Noch in den 1960er Jahren wurde Radium in Zifferblättern verwendet, aber es gab keine weiteren Verletzungen von Zifferblattmalern. Dies unterstreicht, dass die Schäden bei den Radium Girls leicht hätten vermieden werden können. ⓘ

Ab den 1960er Jahren wurde die Verwendung von Radiumfarbe eingestellt. In vielen Fällen wurden Leuchtziffernblätter mit nicht-radioaktiven, durch Licht angeregten Fluoreszenzmaterialien realisiert; solche Geräte leuchten im Dunkeln, nachdem sie dem Licht ausgesetzt wurden, aber das Leuchten verblasst. In Fällen, in denen eine lang anhaltende Selbstbeleuchtung in der Dunkelheit erforderlich war, wurde die sicherere radioaktive Farbe Promethium-147 (Halbwertszeit 2,6 Jahre) oder Tritium (Halbwertszeit 12 Jahre) verwendet; beide werden seit 2004 weiterhin eingesetzt. Diese hatten den zusätzlichen Vorteil, dass sie den Leuchtstoff im Gegensatz zu Radium nicht mit der Zeit zersetzen. Tritium emittiert eine sehr energiearme Betastrahlung (noch energieärmer als die Betastrahlung von Promethium), die die Haut nicht durchdringen kann, im Gegensatz zur durchdringenden Gammastrahlung von Radium, und gilt als sicherer. ⓘ

Uhren und Instrumente aus der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, die oft militärisch genutzt wurden, können mit radioaktiver Leuchtfarbe gestrichen worden sein. Dies ist jedoch nicht auf den radioaktiven Zerfall des Radiums zurückzuführen (das eine Halbwertszeit von 1600 Jahren hat), sondern darauf, dass die Fluoreszenz des Zinksulfid-Leuchtmittels durch die Strahlung des Radiums abgenutzt wurde. Das Auftreten einer oft dicken Schicht grüner oder gelblich-brauner Farbe bei Geräten aus dieser Zeit deutet auf eine radioaktive Gefahr hin. Die von einem intakten Gerät ausgehende Strahlendosis ist relativ gering und stellt in der Regel kein akutes Risiko dar; die Farbe ist jedoch gefährlich, wenn sie freigesetzt und eingeatmet oder verschluckt wird. ⓘ

Kommerzielle Nutzung

Hotelpostkarte mit Werbung für Radiumbäder, ca. 1940er Jahre ⓘ

Radium wurde früher als Zusatzstoff in Produkten wie Zahnpasta, Haarcremes und sogar in Lebensmitteln verwendet, weil es angeblich heilende Wirkung hat. Solche Produkte kamen bald aus der Mode und wurden von den Behörden vieler Länder verboten, nachdem man herausgefunden hatte, dass sie schwerwiegende negative Auswirkungen auf die Gesundheit haben könnten. (Siehe z. B. Radithor- oder Revigator-Typen von "Radiumwasser" oder "Standard Radium Solution for Drinking"). Kurbäder mit radiumhaltigem Wasser werden immer noch gelegentlich als wohltuend angepriesen, wie z. B. die in Misasa, Tottori, Japan. In den USA wurde die nasale Radiumbestrahlung auch Kindern verabreicht, um Mittelohrproblemen oder vergrößerten Mandeln vorzubeugen, und zwar von den späten 1940er bis in die frühen 1970er Jahre. ⓘ

Medizinische Anwendung

Werbung für Radior-Kosmetika, die nach Angaben des Herstellers Radium enthalten, das sich positiv auf die Gesundheit der Haut auswirken soll. Zu dieser Linie gehörten Puder, Hautcremes und Seife. ⓘ

Radium (in der Regel in Form von Radiumchlorid oder Radiumbromid) wurde in der Medizin zur Erzeugung von Radongas verwendet, das wiederum zur Krebsbehandlung eingesetzt wurde. So wurden beispielsweise in den 1920er und 1930er Jahren in Kanada mehrere dieser Radonquellen verwendet. Viele Behandlungen, die in den frühen 1900er Jahren angewandt wurden, werden jedoch aufgrund der schädlichen Auswirkungen der Radiumbromid-Exposition nicht mehr eingesetzt. Einige Beispiele für diese Auswirkungen sind Anämie, Krebs und genetische Mutationen. Seit 2011 werden in der Regel sicherere Gammastrahler wie ⁶⁰Co verwendet, die weniger kostspielig und in größeren Mengen verfügbar sind, um die historische Verwendung von Radium in dieser Anwendung zu ersetzen. ⓘ

In den frühen 1900er Jahren verwendeten Biologen Radium, um Mutationen auszulösen und die Genetik zu untersuchen. Bereits 1904 setzte Daniel MacDougal Radium ein, um festzustellen, ob es plötzliche große Mutationen hervorrufen und große evolutionäre Veränderungen bewirken kann. Thomas Hunt Morgan setzte Radium ein, um Veränderungen hervorzurufen, die zu weißäugigen Fruchtfliegen führten. Der Biologe und Nobelpreisträger Hermann Muller untersuchte kurzzeitig die Auswirkungen von Radium auf Mutationen bei Fruchtfliegen, bevor er sich kostengünstigeren Röntgenexperimenten zuwandte. ⓘ

Howard Atwood Kelly, einer der Gründungsärzte des Johns Hopkins Hospitals, war ein wichtiger Pionier in der medizinischen Anwendung von Radium zur Krebsbehandlung. Seine erste Patientin war 1904 seine eigene Tante, die kurz nach der Operation starb. Kelly war dafür bekannt, dass er bei der Behandlung verschiedener Krebsarten und Tumore übermäßige Mengen an Radium verwendete. Infolgedessen starben einige seiner Patienten an der Radiumexposition. Seine Methode der Radiumanwendung bestand darin, eine Radiumkapsel in der Nähe des betroffenen Bereichs einzuführen und dann die Radium-"Punkte" direkt an den Tumor zu nähen. Dies war die gleiche Methode, mit der Henrietta Lacks, die Trägerin der ursprünglichen HeLa-Zellen, gegen Gebärmutterhalskrebs behandelt wurde. Seit 2015 werden stattdessen sicherere und besser verfügbare Radioisotope verwendet. ⓘ

Herstellung

Denkmal für die Entdeckung des Radiums in Jáchymov ⓘ

Im späten 19. Jahrhundert gab es keine groß angelegten Anwendungen für Uran, und daher gab es auch keine großen Uranminen. Die einzige große Quelle für Uranerz waren anfangs die Silberminen in Jáchymov, Österreich-Ungarn (heute Tschechische Republik). Das Uranerz war nur ein Nebenprodukt der Bergbauaktivitäten. ⓘ

Bei der ersten Extraktion von Radium verwendete Curie die Rückstände der Uranextraktion aus Pechblende. Das Uran war durch Auflösen in Schwefelsäure extrahiert worden, wobei Radiumsulfat zurückblieb, das dem Bariumsulfat ähnlich ist, aber in den Rückständen noch weniger löslich ist. Die Rückstände enthielten auch beträchtliche Mengen an Bariumsulfat, das somit als Träger für das Radiumsulfat diente. Die ersten Schritte des Radiumextraktionsverfahrens umfassten das Kochen mit Natriumhydroxid, gefolgt von einer Behandlung mit Salzsäure, um Verunreinigungen durch andere Verbindungen zu minimieren. Der verbleibende Rückstand wurde dann mit Natriumkarbonat behandelt, um das Bariumsulfat in Bariumkarbonat (Träger des Radiums) umzuwandeln, wodurch es in Salzsäure löslich wurde. Nach dem Auflösen wurden Barium und Radium in Form von Sulfaten wieder ausgefällt; dieser Vorgang wurde dann wiederholt, um das gemischte Sulfat weiter zu reinigen. Einige Verunreinigungen, die unlösliche Sulfide bilden, wurden durch Behandlung der Chloridlösung mit Schwefelwasserstoff und anschließendes Filtrieren entfernt. Wenn die gemischten Sulfate rein genug waren, wurden sie erneut in gemischte Chloride umgewandelt; Barium und Radium wurden anschließend durch fraktionierte Kristallisation getrennt, wobei der Fortschritt mit Hilfe eines Spektroskops (Radium liefert charakteristische rote Linien im Gegensatz zu den grünen Bariumlinien) und des Elektroskops überwacht wurde. ⓘ

Nach der Isolierung von Radium durch Marie und Pierre Curie aus dem Uranerz von Joachimsthal begannen mehrere Wissenschaftler, Radium in kleinen Mengen zu isolieren. Später kauften kleine Unternehmen Abraum aus den Joachimsthaler Bergwerken und begannen mit der Isolierung von Radium. Im Jahr 1904 verstaatlichte die österreichische Regierung die Bergwerke und stellte die Ausfuhr von Roherz ein. Bis 1912, als die Radiumproduktion stieg, war die Verfügbarkeit von Radium gering. ⓘ

Die Bildung eines österreichischen Monopols und der starke Drang anderer Länder, Zugang zu Radium zu erhalten, führte zu einer weltweiten Suche nach Uranerzen. Die Vereinigten Staaten übernahmen in den frühen 1910er Jahren die Rolle des führenden Produzenten. Die Carnotit-Sande in Colorado liefern einen Teil des Elements, aber reichere Erze finden sich im Kongo und im Gebiet des Great Bear Lake und des Great Slave Lake im Nordwesten Kanadas. Keines der Vorkommen wird auf Radium abgebaut, aber der Urangehalt macht den Abbau rentabel. ⓘ

Das Curies-Verfahren wurde noch 1940 für die industrielle Radiumgewinnung verwendet, doch wurden dann Mischbromide für die Fraktionierung eingesetzt. Wenn der Bariumgehalt des Uranerzes nicht hoch genug ist, kann man einfach etwas hinzufügen, um das Radium zu transportieren. Diese Verfahren wurden bei hochgradigen Uranerzen angewandt, funktionieren aber möglicherweise nicht gut bei minderwertigen Erzen. ⓘ

Noch in den 1990er Jahren wurden geringe Mengen Radium aus Uranerz mit dieser Methode der gemischten Ausfällung und des Ionenaustauschs gewonnen, aber seit 2011 wird es nur noch aus abgebrannten Kernbrennstoffen gewonnen. 1954 belief sich der weltweite Gesamtvorrat an gereinigtem Radium auf etwa 5 Pfund (2,3 kg) und liegt auch 2015 noch in dieser Größenordnung, während die jährliche Produktion von reinen Radiumverbindungen seit 1984 insgesamt nur etwa 100 g beträgt. Die wichtigsten radiumproduzierenden Länder sind Belgien, Kanada, die Tschechische Republik, die Slowakei, das Vereinigte Königreich und Russland. Die produzierten Radiummengen waren und sind immer relativ gering; so wurden beispielsweise 1918 in den Vereinigten Staaten 13,6 g Radium produziert. Das Metall wird durch Reduktion von Radiumoxid mit Aluminiummetall im Vakuum bei 1200 °C isoliert. ⓘ

Moderne Anwendungen

Forschung im Bereich der Atom-, Molekular- und optischen Physik

Radium wird zunehmend in der Atom-, Molekular- und Optikphysik eingesetzt. Symmetriebrechende Kräfte skalieren proportional zu $Z^{3}$ Dadurch ist Radium, das schwerste Erdalkalielement, gut geeignet, um neue physikalische Phänomene jenseits des Standardmodells zu untersuchen. Einige Radium-Isotope, wie Radium-225, haben oktupolverformte Paritätsdoubletten, die die Empfindlichkeit für neue Physik, die die Ladungsparität verletzt, um zwei bis drei Größenordnungen im Vergleich zu $^{199}$ Hg. ⓘ

Radium ist ebenfalls vielversprechend für eine optische Uhr mit eingefangenen Ionen. Das Radium-Ion hat zwei Übergänge mit Subhertz-Linienbreiten vom $7s^{2}S_{1/2}$ Grundzustand, die als Taktübergänge in einer optischen Uhr dienen könnten. Darüber hinaus könnte sich Radium besonders gut für eine transportable optische Uhr eignen, da alle für den Uhrenbetrieb erforderlichen Übergänge mit direkten Diodenlasern erreicht werden können. ⓘ

Obwohl Radium keine stabilen Isotope hat, gibt es elf Radiumisotope mit Halbwertszeiten von mehr als einer Minute, die mit hoher Präzision auf einem King-Plot verglichen werden könnten. Isotopenverschiebungen könnten mit hoher Präzision an einem der Subhertz-Linienbreiten-Übergänge des Radium-Ions vom Grundzustand aus gemessen werden, oder an den $^{1}S_{0}$ zu $^{3}P_{0}$ Interkombinationslinie im neutralen Radium gemessen werden. Der Grad möglicher Nichtlinearitäten in einem solchen King-Plot könnte neue physikalische Erkenntnisse jenseits des Standardmodells liefern. ⓘ

Einige der wenigen praktischen Anwendungen von Radium ergeben sich aus seinen radioaktiven Eigenschaften. Kürzlich entdeckte Radioisotope wie Kobalt-60 und Cäsium-137 verdrängen Radium selbst bei diesen begrenzten Verwendungszwecken, da mehrere dieser Isotope stärkere Strahlung abgeben, sicherer zu handhaben sind und in konzentrierterer Form vorliegen. ⓘ

Das Isotop ²²³Ra (Handelsname Xofigo) wurde 2013 von der US-amerikanischen Food and Drug Administration für die Verwendung in der Medizin zur Behandlung von Knochenmetastasen zugelassen. Die Hauptindikation für die Behandlung mit Xofigo ist die Therapie von Knochenmetastasen bei kastrationsresistentem Prostatakrebs aufgrund der günstigen Eigenschaften dieses Alpha-Emitter-Radiopharmakons. ²²⁵Ra wurde auch in Experimenten zur therapeutischen Bestrahlung verwendet, da es das einzige einigermaßen langlebige Radiumisotop ist, das kein Radon als eine seiner Töchter hat. ⓘ

Radium wird auch 2007 noch als Strahlenquelle in einigen industriellen Röntgengeräten verwendet, um fehlerhafte Metallteile zu überprüfen, ähnlich wie bei Röntgenaufnahmen. Im Gemisch mit Beryllium wirkt Radium als Neutronenquelle. Seit 2004 werden gelegentlich noch Radium-Beryllium-Neutronenquellen verwendet, aber andere Materialien wie Polonium sind häufiger anzutreffen: Etwa 1500 Polonium-Beryllium-Neutronenquellen mit einer Einzelaktivität von 1.850 Ci (68 TBq) wurden jährlich in Russland verwendet. Diese (α, n)-Neutronenquellen auf RaBeF₄-Basis sind trotz der hohen Anzahl der von ihnen emittierten Neutronen (1,84×10⁶ Neutronen pro Sekunde) zugunsten von ²⁴¹Am-Be-Quellen veraltet. Seit 2011 wird das Isotop ²²⁶Ra hauptsächlich zur Bildung von ²²⁷Ac durch Neutronenbestrahlung in einem Kernreaktor verwendet. ⓘ

Gefahren

Radium ist hochradioaktiv, und seine unmittelbare Tochter, das Radongas, ist ebenfalls radioaktiv. Bei der Einnahme von Radium verlassen 80 % des aufgenommenen Radiums den Körper über die Fäkalien, während die übrigen 20 % in den Blutkreislauf gelangen und sich hauptsächlich in den Knochen anreichern. Eine innere oder äußere Radiumexposition kann Krebs und andere Krankheiten verursachen, da Radium und Radon bei ihrem Zerfall Alpha- und Gammastrahlen aussenden, die Zellen töten und mutieren. Zur Zeit des Manhattan-Projekts im Jahr 1944 wurde die "Toleranzdosis" für Arbeiter auf 0,1 Mikrogramm verschlucktes Radium festgelegt. ⓘ

Zu den biologischen Auswirkungen von Radium gehört der erste Fall von "Radium-Dermatitis", der im Jahr 1900, zwei Jahre nach der Entdeckung des Elements, gemeldet wurde. Der französische Physiker Antoine Becquerel trug sechs Stunden lang eine kleine Ampulle Radium in seiner Westentasche und berichtete, dass seine Haut ein Geschwür bekam. Pierre und Marie Curie waren von der Strahlung so fasziniert, dass sie ihre eigene Gesundheit opferten, um mehr über sie zu erfahren. Pierre Curie befestigte ein mit Radium gefülltes Röhrchen zehn Stunden lang an seinem Arm, woraufhin sich eine Hautläsion bildete, was darauf hindeutet, dass Radium krebsartiges Gewebe ebenso angreift wie gesundes Gewebe. Der Umgang mit Radium wurde für den Tod von Marie Curie verantwortlich gemacht, die an aplastischer Anämie starb. Ein erheblicher Teil der Gefährlichkeit von Radium geht von seiner Tochter Radon aus: Als Gas kann es viel leichter in den Körper eindringen als das Mutterradium. ⓘ

Seit 2015 gilt ²²⁶Ra als das giftigste aller Mengenradioelemente und muss in dichten Handschuhkästen mit erheblicher Luftzirkulation gehandhabt werden, die anschließend behandelt werden, um das Entweichen seiner Tochter ²²²Rn in die Umwelt zu verhindern. Alte Ampullen, die Radiumlösungen enthalten, müssen mit Vorsicht geöffnet werden, da bei der radiolytischen Zersetzung von Wasser ein Überdruck von Wasserstoff- und Sauerstoffgas entstehen kann. Die weltweit größte Konzentration von ²²⁶Ra wird in der Interim Waste Containment Structure gelagert, etwa 15,4 km nördlich der Niagarafälle, New York. ⓘ

Verwendung

Radium in der Radio-Onkologie

Die Anwendung von geschlossenen Radiumkapseln war eine frühe Form der Brachytherapie bei Krebserkrankungen, z. B. des Gebärmutterhalses. 2013 brachte der Pharmahersteller Bayer HealthCare mit Radium-223-dichlorid (Xofigo®) ein Radiopharmakon auf Basis von ²²³Ra, einem alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen, zur intravenösen Anwendung bei symptomatischen Knochenmetastasen des kastrationsresistenten Prostatakrebses auf den Markt. ⓘ

Radium im Physikunterricht

Zur Darstellung der Alphastrahlung sind Radiumpräparate im Handel, die unter Wahrung der Sicherheitsvorschriften in Nebelkammern eingesetzt werden können. Es stehen zwei Intensitäten (3,7 kBq entsprechend 0,1 μg Ra und 60 kBq, ca. 1,62 μg Ra) zur Verfügung. ⓘ

Umweltproblematik

Radium und Uranbergbau

Da Radium über das Zerfallsgleichgewicht an das Uran gekoppelt ist, begleitet es dieses zwangsläufig in seinen Erzen und wird bei den bergbaulichen Aktivitäten mit umgewälzt, also aus dem geologischen Einschluss herausgelöst. Bei der Erzaufbereitung ist im Wesentlichen nur das Uran von Interesse (Yellowcake), das Radium wird zum Bestandteil der Rückstandsfraktion und als Abraum deponiert. Damit ist nicht im verkauften Uran der größte Teil der Radioaktivität des ursprünglich geförderten Uranerzes enthalten, sondern in den Schlammdeponien der Erzaufbereitung. ⓘ

Eine Beeinflussung der belebten Erdoberfläche (Umwelt) ergibt sich einerseits über die vom Radium selbst ausgehende Strahlung (insbesondere Alphastrahlung), andererseits über seine Wirkung als Radonquelle. Auswirkungen dieser Art einzudämmen ist das Ziel von Sanierungsanstrengungen in Bergbaufolgelandschaften (siehe auch Wismut). ⓘ

Radium und stoffumwandelnde Industrien

Überall, wo große Mengen natürlicher heterogen zusammengesetzter Stoffgemische umgesetzt werden, wird über deren Spurengehalt von Uran und Radium auch natürliche Radioaktivität mit verfrachtet. Dies trifft insbesondere für die Kohle-Verfeuerung in Kraftwerken zu (Kohlelagerstätten als hydrogeologische Uran-Senken). Nicht zurückgehaltene Stäube verfrachten das Radium der Kohle anteilsweise in die Atmosphäre. Bei greifenden Rauchgasreinigungsmaßnahmen erscheint das Radium dann auch in den festen Rückständen, die zum Teil marktfähig sind. ⓘ

Verbindungen

Radiumverbindungen liegen fast ausschließlich in der Oxidationsstufe +II vor. Diese sind meist farblose, salzartige Feststoffe, die sich infolge Radiolyse der eigenen Alphastrahlung mit der Zeit gelb färben. ⓘ

Eine Übersicht über Radiumverbindungen gibt die :Kategorie:Radiumverbindung. ⓘ

Sicherheitshinweise

Einstufungen nach der CLP-Verordnung liegen nicht vor, weil diese nur die chemische Gefährlichkeit umfassen und eine völlig untergeordnete Rolle gegenüber den auf der Radioaktivität beruhenden Gefahren spielen. Auch Letzteres gilt nur, wenn es sich um eine dafür relevante Stoffmenge handelt. ⓘ

Sonstiges

Unter der Leitung des deutschen Geologen und außerordentlichen Professor für Stratigraphie und Paläontologie Wilhelm Salomon-Calvi gelang am 14. August 1918 in einer Tiefe von 998 Metern die erfolgreiche Erbohrung einer Radium-Sole-Thermalquelle im Stadtteil Heidelberg-Bergheim mit 27 °C Wassertemperatur. Im Juli 1928 wurde dort ein Radium-Solbad eröffnet. Der Radium-Kurbetrieb endete mit dem Beginn des Zweiten Weltkriegs. 1957 versiegte die sogenannte Heilquelle spontan, der laut Salomon damals an Radiumsalzen reichsten Quelle der Welt. Die Quelle ist die einzige Thermalquelle in Deutschland, die reines Radiumsalz enthält. Trinkkuren und Bäder sollten gegen Erkrankungen helfen.
Ein sogenannter Radiumbecher wurde 2015 bei einem Recyclingunternehmen in Alsfeld gefunden und durch Mitarbeiter des Regierungspräsidiums Gießen sichergestellt. Solche Becher mit einem Einsatz für Radiumsalz wurden zu Beginn des 20. Jahrhunderts zum Trinken genutzt, weil man damals von einer gesundheitsfördernden Wirkung von ionisierender Strahlung ausging.
Paranüsse enthalten, verglichen mit sonstigen Nahrungsmitteln, erhöhte Gehalte an Radium-224, Radium-226 und Radium-228. Wenn man täglich zwei Paranüsse verzehrt (etwa 8 Gramm), erhält man eine zusätzliche Dosis von 160 Mikrosievert/Jahr.
In Wipperfürth gibt es das 1904 als Glühlampenfabrik gegründete und heute noch produzierende Unternehmen Radium Lampenwerk. Der Markenname Radium steht hier bloß für die Aussendung von sichtbarem Licht des glühenden Wolframdrahts.
Die deutsche strategische Reichsradiumreserve wurde 1945 vom amerikanischen Geheimdienst beschlagnahmt. ⓘ