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 247Bk, jonka puoliintumisaika on 1 380 vuotta. Se on kuitenkin harvinaista. Mitattavia määriä berkeliumia on valmistettu isotooppina 249Bk (puoliintumisaika 330 päivää), mikä on tehnyt mahdolliseksi sen joidenkin ominaisuuksien määrittelyn. Toiseksi tärkeintä isotooppia 247Bk valmistetaan säteilyttämällä curiumin isotooppia 244Cm korkea-energisillä alfahiukkasilla.
Fysikaaliset ominaisuudet.
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 "P63/mmc", hilavakiot a = 341 pm ja c = 1 107 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 kimmomoduuli tämän muutospaineen 22 GPa alapuolella on noin 30 GPa, mutta normaalipaineessa α-Bk-muodolle on raportoitu kimmomoduuliksi 52 GPa.
Berkeliumin tiheys 14,78 g/cm3 (α-Bk-muodolle) on curiumin (13,5 g/cm3) ja kaliforniumin (15,1 g/cm3) 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 pehmeää 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.
Kemialliset ominaisuudet.
Kuten kaikki aktinoidit, berkelium liukenee yleisimpiin epäorgaanisiin happoihin, vapauttaen vetykaasua ja muuttuen Bk3+ ioneiksi. Näitä ioneja sisältävät liuokset ovat usein väriltään vihreitä. Berkeliumin yleisin hapetusluku on +III, mutta myös hapetusluvun +IV yhdisteitä tunnetaan. Hapetusluvun +II yhdisteiden olemassaolo on epävarmaa. Bk4+-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.
Isotoopit.
Berkeliumin kaikki isotoopit ovat radioaktiivisia. Berkeliumin pitkäikäisin isotooppi on 247Bk (puoliintumisaika 1 380 vuotta). Muita pitkiä puoliintumisaikoja on isotoopeilla 248Bk (yli 9 vuotta) ja 249Bk (330 vuorokautta). Berkeliumin isotoopeista 249Bk 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.
Fissio-ominaisuudet.
Berkeliumin käyttäytyminen fissiossa on erilaista kuin sitä lähellä olevien aktinoidien curiumin ja kaliforniumin. Siitä ei saada käyttökelpoista ydinpolttoainetta. Teoriassa 249Bk voi ylläpitää ketjureaktiota nopeassa hyötöreaktorissa. Berkeliumista ei myöskään saa helposti ydinasetta. Isotoopin 249Bk 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 247Bk 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.
Käyttö.
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 249Bk-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. 249Bk isotooppia on yleisesti käytetty syntetisoitaessa lawrenciumia, rutherfordiumia ja bohriumia.