Kernspinresonanz von Plutonium nachgewiesen
50 Jahre hat es gedauert, die kernmagnetischen Eigenschaften dieses brisanten Materials genauer untersuchen zu können.
Plutonium ist nicht nur eines der gefährlichsten Elemente angesichts seiner hohen Radiotoxizität und großen Halbwertszeit, sondern auch chemisch gesehen ein außergewöhnliches Element mit einer Vielzahl unterschiedlicher Oxidationsstufen. So können sich in wässriger Lösung bis zu vier verschiedene Oxidationsstufen im wechselseitigen Gleichgewicht halten – von keinem anderen Element ist ein solch komplexes Verhalten bekannt. Entsprechend schwierig und wichtig ist ein besseres Verständnis dieser Eigenschaften sowohl in Bezug auf Anwendungen wie die Produktion oder Wiederaufbereitung von Brennelementen oder Atomwaffen, als auch als Energieträger bei interplanetaren Missionen sowie bei jeder Art langfristiger Lagerung von plutoniumhaltigen Substanzen.
Abb.: Foto (A) zeigt eine Teflonform (links unten), in der die Proben erzeugt werden, zwei ausgehärtete Probenstücke (rechts unten) und etwas Pulver einer Testprobe (oben). Auf (B) ist der fertig bestückte Epoxidwürfel zu sehen, in dem sich die Probe befindet, sowie vorne rechts die Titanfritte, die den Würfel verschließt. (Bild: H Yasuoka, LANL)
Wissenschaftler am Los Alamos National Laboratory haben nun einen wichtigen Schritt nach vorne gemacht, indem sie erstmals die Kernspinresonanz von Plutonium-239 messen konnten. Plutonium-239 ist das wichtigste Isotop dieses Elements; waffentaugliches Plutonium besteht üblicherweise zu über 90 Prozent aus Plutonium-239. Die Wissenschaftler benutzten hochreines, kubisch kristallines Plutoniumdioxid-Pulver mit einem Isotopenanteil von 94 Prozent Plutonium-239.
Um Nuclear Magnetic Resonance-Spektroskopie an Plutonium zu betreiben, sind aufgrund der komplexen Chemie und speziellen Elektronenkonfiguration etliche Hürden zu nehmen. NMR ist ein ausgezeichnetes Instrument zur chemischen Strukturaufklärung, da die ausgemessenen Kernmagnetfelder empfindlich auf benachbarte Atomkerne und Elektronenkonfigurationen reagieren. Sie ist nur möglich bei Atomkernen mit ungerader Massen- oder Ordnungszahl; von diesen eignen sich besonders solche mit halbzahligem Kernspin für die Untersuchung durch NMR. Plutonium-239 ist der letzte solche Kandidat, bei dem die Bestimmung des Kernmoments noch ausstand.
Bei sehr tiefen Temperaturen um 4 Kelvin und verschiedenen Anregungsfrequenzen von 13,75 bis 20,48 Megahertz variierte die Arbeitsgruppe das äußere Magnetfeld von 3 bis 8 Tesla, in Schritten von 0,06 Tesla. Die tiefen Temperaturen sind nötig, um hinreichend lange Relaxationszeiten zu erhalten. Das nukleare gyromagnetische Moment konnten die Forscher zu 2π • 2,856 ± 0,001 Megahertz pro Tesla bestimmen. Hieraus ergibt sich ein gyromagnetisches Moment des freien Plutoniumkerns von ungefähr 2π • 2,29 Megahertz pro Tesla und ein magnetisches Moment des Kern von 0,15 in Einheiten des Kernmagnetons.
Mit der neuen Methode können die Forscher verschiedene Oxidationsstufen unterscheiden. Damit ist auch ein besseres Verständnis des Oxidationsprozesses von Plutonium möglich. Die Forscher versprechen sich hiervon neue Erkenntnisse zum Beispiel bei verglastem Plutonium, wie es zur langfristigen Lagerung verwendet wird.
Dirk Eidemüller
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