Berkelium
Berkelium on keinotekoinen alkuaine, jonka kemiallinen merkki on Bk () ja järjestysluku 97. Berkelium on erittäin radioaktiivinen aktinoideihin kuuluva transuraaninen alkuaine. Se on pehmeää, vaaleaa tai harmahtavaa metallia. Sitä ei esiinny luonnossa. Berkelium oli viides löydetty transuraani neptuniumin, plutoniumin, curiumin ja amerikiumin jälkeen.
Berkelium on saanut nimensä kalifornialaisen Berkeleyn kaupungin mukaan. Glenn T. Seaborg, Stanley G. Thompson ja Albert Ghiorso valmistivat berkeliumia ensimmäisen kerran joulukuussa 1949 Kalifornian yliopistossa, Berkeleyssä. Löytö tehtiin pommittamalla amerikiumia alfahiukkasilla. Löytämistä seuranneiden 65 vuoden aikana berkeliumia syntetisoitiin vain alle yhden gramman verran.
Alkuaineen pysyvin isotooppi on Bk, jonka puoliintumisaika on 1 380 vuotta. Se on kuitenkin harvinaista. Mitattavia määriä berkeliumia on valmistettu isotooppina Bk (puoliintumisaika 330 päivää), joka on tehnyt mahdolliseksi sen joidenkin ominaisuuksien määrittelyn. Toiseksi tärkeintä isotooppia Bk valmistetaan säteilyttämällä curiumin isotooppia Cm korkea-energisillä alfahiukkasilla.
Berkeliumilla on ainakin kolme allotrooppista muotoa, joista α-Bk ja β-Bk ovat tavallisemmat ja joista α-Bk on vakain huoneenlämpötilassa. Sen alkeiskoppi on heksagonaalinen tiivispakkaus ("dhcp", avaruusryhmä "P6/mmc", hilavakiot a = 341 pm ja c = 1107 pm), joka on samanlainen kuin α-curiumilla ja α-lantaanilla. Paineen kasvaessa 8 gigapascalin yli, edelleen huoneenlämpötilassa, α-Bk muuttuu β-Bk-muodoksi. Tällä on pintakeskinen kuutiollinen symmetria ("fcc", avaruusryhmä "Fm3m" ja hilavakio a = 499 pm). Jos berkeliumia kompressoidaan yli 22 GPa paineeseen (32 GPa joissain raporteissa), se muuttuu ortorombiseksi γ-berkeliumiksi, joka muistuttaa rakenteeltaan α-uraania. Berkeliumin kimmomoduli alle tämän 22 GPa:n muutospaineen on noin 30 GPa, mutta normaalipaineessa α-Bk-muodolle on raportoitu kimmomoduliksi 52 GPa.
Berkeliumin tiheys 14,78 g/cm (α-Bk-muodolle) on curiumin (13,5 g/cm) ja kaliforniumin (15,1 g/cm) tiheyksien välissä, kuten myös sen sulamispiste 986 ±25 °C on alle curiumin sulamispisteen (1 340 °C) mutta korkeampi kuin kaliforniumilla (900 °C). Kiehumispiste on 2 627±50 °C. Berkelium on sangen pehmyttä metallia ja väriltään valkoista tai harmahtavaa.
Berkelium on tavallisissa olosuhteissa paramagneettista, mutta muuttuu antiferromagneettiseksi alle 34 K:n lämpötilassa. Magneettinen momentti on 9,69 mB.
Kuten kaikki aktinoidit, berkelium liukenee yleisimpiin epäorgaanisiin happoihin, vapauttaen vetykaasua ja muuttuen Bk ioneiksi. Näitä ioneja sisältävät liuokset ovat usein väriltään vihreitä. Berkeliumin yleisin hapetusluku on +III, mutta myös +IV hapetusluvun yhdisteitä tunnetaan. +II hapetusluvun yhdisteiden olemassaolo on epävarmaa. Bk-ionit ovat keltaisia vetykloorihapossa ja oranssinkellertäviä rikkihapossa. Berkeliumin kemialliset ominaisuudet muistuttavat huomattavasti sen lantanoideihin kuuluvan homologin, terbiumin, ominaisuuksia. Berkelium ei juurikaan reagoi ilman hapen kanssa, mahdollisesti sen pinnalle muodostuvasta oksidikerroksesta johtuen. Berkelium muodostaa binäärisiä yhdisteitä vedyn, halogeenien sekä happiryhmän ja typpiryhmän alkuaineiden kanssa.
Berkeliumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Berkeliumin pitkäikäisin isotooppi on Bk (puoliintumisaika 1 380 vuotta). Muita pitkiä puoliintumisaikoja on isotoopeilla Bk (yli 9 vuotta) ja Bk (330 vuorokautta). Berkeliumin isotoopeista Bk on helpointa syntetisoida, ja se on ainoa isotooppi jota on valmistettu makroskooppisia määriä. Sitä on valmistettu Yhdysvalloissa yhteensä yksi gramma koko vuosien 1967–2001 välisenä aikana. Se hajoaa kalifornium-249:ksi. Loppujen isotooppien puoliintumisajat vaihtelevat minuuteista muutamaan päivään.
Berkeliumin käyttäytyminen fissiossa on erilaista kuin sitä lähellä olevien aktinoidien curiumin ja kaliforniumin. Siitä ei saada käyttökelpoista ydinpolttoainetta. Teoriassa Bk voi ylläpitää ketjureaktiota nopeassa hyötöreaktorissa. Berkeliumista ei myöskään saa helposti ydinasetta. Isotoopin Bk kriittinen massa on 192 kg, ja vaikka sitä voidaan pienentää erilaisilla neutroniheijastimilla aina 131 kg:aan saakka, niin tämäkin määrä ylittää koko maailman berkeliumin tuotannon moninkertaisesti. Isotooppi Bk voi ylläpitää ketjureaktiota sekä termaalisia neutroneja että nopeita neutroneja hyödyntävässä reaktorissa, mutta sen valmistaminen on monimutkaista joten tällä on vain teoreettista merkitystä. Tämän isotoopin kriittinen massa on 75,7 kg puhtaalle pallomaiselle kappaleelle, 41,2 kg 20 cm vettä sisältävän neutroniheijastimen kanssa ja 35,2 kg 30 cm paksun teräsheijastimen kanssa.
Berkeliumilla ei ole mitään käyttökohteita tieteellisen tutkimuksen ulkopuolella.
Tieteessä sitä on käytetty sitä raskaampien aktinoidien ja transaktinoidien tuottamisen. Esimerkiksi alkuainetta Z=117, tennessiiniä, valmistettiin ensi kerran Dubnan ydintutkimuskeskuksessa (JINR) säteilyttämällä Bk-kohtiota syklotronissa 150 päivän ajan. Sitä ennen 22 mg painoisen kohtion tuottaminen kesti 250 päivää Lawrence Livermoren laboratoriossa ja vielä 90 päivää kului sen puhdistamiseen Oak Ridgen ydintutkimuslaitoksessa. Bk isotooppia on yleisesti käytetty syntetisoitaessa lawrenciumia, rutherfordiumia ja bohriumia.