Eigenschaften von Cäsium und Radiocäsium: 137-cs

Cäsium ist ein weiches, goldfarbenes Metall mit einem Schmelzpunkt von 28,5 °C. Es hat die Ordnungszahl 55 und eine relative Atommasse von 132,9. Von dem Element Cäsium sind 35 Isotope bekannt: Cs-114 bis Cs-148 (SEELMANN-EGGEBERT et al. 1981). Davon ist das stabile Cs-133 das einzige natürlich vorkommende Isotop. Es kommt hauptsächlich in dem Mineral Pollucit, mit einem Gehalt von bis zu 30 % Cs₂0 vor. Alle anderen Cäsium Isotope entstehen künstlich, bei Atombombenexplosionen und in Kernreaktoren.

Cäsium gehört, genau wie Kalium zu den Alkalimetallen und ist das unedelste und damit reaktionsfähigste Element dieser Gruppe. Es reagiert chemisch und stoffwechsel-physiologisch ähnlich wie Kalium (DAVIS 1963), das für viele Organismen essentiell ist und intrazellulär angereichert wird. Cs kann K aber nicht in seinen Stoffwechselfunktionen ersetzen und wird von Organismen i.d.R. auch nicht im gleichen Verhältnis wie Kalium aufgenommen (KORNBERG 1961). Der Grund dafür könnte in den unterschiedlichen Ionenradien liegen: sie betragen für K+ 1,33 Å, für Cs+ 1,65 Å. Eine biologische Bedeutung von Cs für Tier oder Pflanze konnte bisher nicht nachgewiesen werden.

Strahlenbiologisch gesehen ist Cs-137 das bedeutenste Cs-Isotop. Es entsteht, mit 6,2% Spaltausbeute, in relativ großer Menge bei Atombombenexplosionen (KATCOFF 1958) und verbleibt, mit einer physikalischen Halbwertzeit von 30,2 Jahren, langfristig in der Umwelt.
Das Zerfallsschema des Nuklids ist in der Abbildung 1 wiedergegeben.

Abb. 1: Zerfallsschema von Cäsium-137, nach LEDERER et al. (1967)

Cs-137 zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 6,5% direkt und mit einer Wahrscheinlichkeit von 93,5% indirekt, über das metastabile Barium-137m in stabiles Barium-137. Beim indirekten Zerfall werden Beta-Strahlen mit einer Energie von 0,513 MeV frei. Das metastabile Ba-137 zerfällt mit einer physikalischen Halbwertzeit von 2,55 Minuten unter Aussendung von Gamma-Strahlen (0,662 MeV). Die Aktivitätsbestimmung von Cs-137 erfolgt über diese Gamma-Strahlung.

Aus strahlenbiologischer Sicht ist außer Cs-137 auch Cs-134, von allerdings geringerer Bedeutung. Cs-134 zerfällt mit einer physikalischen Halbwertzeit von 2,1 Jahren unter Aussendung von Beta- und Gamma-Strahlen. Es entsteht hauptsächlich durch Neutronen- einfang am stabilen Cs-133 in Kernreaktoren, während es bei Atombombenexplosionen nur in Spuren gebildet wird.

Im Gegensatz zum Radiocäsium ist Kalium-40 ein natürlicherweise auf der Erde vorkommendes Nuklid. Es wurde zusammen mit den anderen Elementen bei der Entstehung der Erde gebildet. Aufgrund seiner, mit 1,28 Mrd. Jahren, langen Halbwertzeit ist es heute noch auf der Erde vorhanden. K-40 ist das einzige radioaktive Isotop des Kaliums, es kommt mit 0,0119% im natürlichen Kalium vor. Weitere Kaliumisotope sind K-39 und K-41, mit einem Häufigkeitsanteil von 93% bzw. 6,9%. Ein Gramm natürliches Kalium enthält 31,6 Bq K-40 (SEELMANN-EGGEBERT et al. 1981). Die K-40 Aktivität kann daher zur quantitativen Bestimmung des Gesamtkaliums herangezogen werden. K-40 zerfällt, unter Aussendung von ß-Strahlen, in stabiles Calcium-40, mit einer Zerfallswahrscheinlichkeit von 89% und über Gammazerfall in stabiles Argon-40 mit einer Zerfallswahrscheinlichkeit von 11% (LEDERER et al. 1967). Die K-40 Aktivität wird über Gammazerfall, bei einer Energie von 1.461 keV bestimmt. Kalium und damit auch K-40 sind in den meisten biologischen und terrestrischen Stoffen vorhanden, z.B. ist es ein Makronährelement für Pflanzen. Im Körper eines 70 kg schweren Menschen sind etwa 140 g Kalium enthalten und damit die Aktivität von 4.000 Bq K-40. Aufgrund seines Vorkommens in fast allen Nahrungsmitteln, verursacht dieses Nuklid den größten Anteil an der durch Ingestion entstehenden, natürlichen Strahlenbelastung des Menschen.

Quellen:

Davis J. J., 1963: Cesium and ists relationships to potassium in ecology. in: Schultz V., Klement A. W. Jr. (eds.): Radioecology. ReinholdPpubl. Comp., New York: 539-556.
Lederer, M., Hollander, J.M., Perlmann, I., 1967: Table of isotopes. Wiley and Sons. New York.
Katcoff S., 1958: Fission product yields from U, Th, and Pu. Nucleonics 16: 78-85.
Kornberg H. A., 1961: The use of element-pairs in radiation hazard assessment. Health Phys. 6: 46-62.
Seelmann-Eggebert W., Pfennig G., Münzel H., 1981: Nuklidkarte. Gesellschaft für Kernforschung mbH. Karlsruhe, 5. Aufl..