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61. Promethium (Pm) - Das radioaktive Phantom · Das Periodensystem der Elemente

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Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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produzieren. Kennst du schon unsere anderen
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Geschichte heute
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widmen wir uns einem Element, das anders ist als fast alle
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seine Nachbarn im Periodensystem.
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Es ist ein Element, das sich dem Menschen über Jahrzehnte hinweg
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entzogen hat. Ein Element, das in der Natur
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unserer Erde praktisch nicht vorkommt und dennoch einen
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festen Platz in der Ordnung der Elemente einnimmt.
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Die Rede ist von Prometium, dem Element mit der Ordnungszahl 61.
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Einem radioaktiven Phantom, das die Chemikerinnen und Chemiker
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lange Zeit nur als Lücke in ihren Tabellen kannten.
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Lehn dich zurück, atme ruhig und lass uns gemeinsam der Spur
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dieses flüchtigen leuchtenden Geistes folgen, der zwischen dem
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Neodym und dem Samarium seinen Platz gefunden hat.
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Um die Geschichte des Prometiums zu verstehen, müssen wir
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zunächst begreifen, was ein Element eigentlich radioaktiv
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macht. Jedes Atom besteht aus einem
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Kern und einer Hülle aus Elektronen, der Kern wiederum
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setzt sich aus Protonen und Neutronen zusammen, die Zahl der
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Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt, beim
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Prometium sind es 61 Protonen, die.
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Die Zahl der Neutronen dagegen kann bei einem Element schwanken
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und so gibt es von den meisten Elementen mehrere Spielarten,
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die man Isotope nennt. Manche dieser Isotope sind
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stabil und bleiben über beliebig lange Zeit unverändert bestehen,
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andere sind instabil. In ihrem Kern herrscht ein
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Ungleichgewicht, und um dieses auszugleichen, zerfallen sie
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früher oder später und senden dabei Strahlung aus.
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Genau das ist die Radioaktivität, das besondere
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und tragische Amprometium ist nun, dass es von ihm überhaupt
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kein einziges stabiles Isotop gibt.
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Jede nur denkbare Kombination aus 61, Protonen und einer
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bestimmten Zahl von Neutronen ergibt einen Kern, der zum
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Zerfall verurteilt ist. Diese Eigenschaft macht das
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Promethium zu einer echten Ausnahme.
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Unter den leichteren Elementen in dem langen Abschnitt des
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Periodensystems bis hinauf zum Blei gibt es nur 2 Elemente, die
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keinerlei stabile Form besitzen. Das eine ist das Technetium, dem
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wir bereits eine eigene Folge gewidmet haben.
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Das andere ist eben das Prometium beide sind
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gewissermaßen Löcher in der ansonsten so stabilen Landschaft
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der leichten Elemente, alle ihre Nachbarn oberhalb und unterhalb
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besitzen stabile Isotope, doch diese beiden fallen aus der
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Reihe. Der Grund dafür liegt in einer
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subtilen Gesetzmäßigkeit der Kernphysik, die man nach dem
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italienischen Physiker Emilio Segre und weiteren Forscherinnen
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und Forschern benennen könnte. Vereinfacht gesagt sind bei
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diesen beiden Protonenzahlen alle möglichen
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Kernzusammensetzungen entweder zu protonenreich oder zu
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neutronenreich, um dauerhaft zusammenzuhalten.
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Sie werden stets von einem stabileren Nachbarelement
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gleichsam verdrängt, weil das Prometium kein stabiles Isotop
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besitzt und weil seine langlebigsten Formen nur wenige
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Jahre bis Jahrzehnte überdauern, ist es auf der Erde praktisch
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vollständig verschwunden, als sich unser Planet vor
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viereinhalb Milliarden Jahren bildete, mag durchaus etwas
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Prometium in ihm enthalten gewesen sein.
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Ein Erbe jener Sterne, in denen die schweren Elemente
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entstanden. Doch alles ursprüngliche
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Prometium ist längst zerfallen, viele Male hintereinander, bis
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nichts mehr davon übrig blieb, was heute in Winzigsten Spuren
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in der Erdkruste existiert, entsteht immer wieder neu.
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Etwa wenn Uranatome in bestimmten Gesteinen spontan
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zerfallen und dabei in seltenen Fällen Prometium hervorbringen.
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Schätzungen zufolge befinden sich in der gesamten Erdkruste
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zu jedem Zeitpunkt nur wenige 100 Gramm natürliches Prometium,
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verteilt über den ganzen Erdball, ein wahrhaft
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Geisterhaftes vorkommen. Aus diesem Grund musste das
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Element erst künstlich hergestellt werden, bevor der
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Mensch es überhaupt in die Hand nehmen konnte.
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Die Geschichte seiner Entdeckung ist eine Geschichte des langen
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Suchens und der vielen falschen Fährten schon früh im 20
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Jahrhundert war den Forschenden aufgefallen, dass in ihren
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Tabellen der Seltenen Erden eine Lücke klaffte, die.
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Zwischen dem Neodym mit der Ordnungszahl 60 und dem Samarium
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mit der Ordnungszahl 62 fehlte offenbar ein Element, jenes mit
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der Zahl 61. Als der englische Physiker Henry
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Moseley in den Jahren um 1913 eine Methode entwickelte, mit
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der sich die Ordnungszahl eines Elements zweifelsfrei bestimmen
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ließ. Wurde diese Lücke unübersehbar?
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Nun begann eine regelrechte Jagd, mehrere Forschergruppen in
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verschiedenen Ländern meldeten in den folgenden Jahren, sie
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hätten das fehlende Element gefunden, man gab ihm vorläufige
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Namen wie Illinium oder Florentium, benannt nach den
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Orten der vermeintlichen Entdeckung.
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Doch keine dieser Meldungen hielt einer strengen Überprüfung
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stand, was die Forschenden für das neue Element gehalten
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hatten, erwies sich stets als Irrtum oder als Verwechslung.
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Besonders hartnäckig hielt sich in den Vereinigten Staaten der
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Anspruch einer Forschergruppe der Universität von Illinois,
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die im Jahr 1926 verkündete, das fehlende Element in seltenen
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Mineralien nachgewiesen zu haben.
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Sie tauften es in Linium nach ihrem Heimatstaat.
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Fast zeitgleich meldeten italienische Forschende in
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Florenz eine ganz ähnliche Entdeckung und wählten den Namen
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Florentium. Beide Gruppen glaubten fest an
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ihren Fund und über Jahre hinweg tauchten diese Namen in
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Lehrbüchern und Tabellen auf, als sei die Sache entschieden.
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Doch je genauer man die Messungen überprüfte, desto
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deutlicher wurde, dass sich die Forschenden geirrt hatten.
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Was sie für das neue Element gehalten hatten, waren in
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Wahrheit winzige Verunreinigungen durch
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benachbarte Seltene Erden, die ähnliche Signale erzeugten.
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Diese Episode zeigt eindrücklich, wie schwer die
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Wissenschaft sich mit einem Element tat, das sich der
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Beobachtung grundsätzlich entzog.
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Es war kein Versagen einzelner Forscherinnen und Forscher,
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sondern die Folge eines tiefen Missverständnisses über die
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Natur des gesuchten Stoffes. Man suchte in der falschen Welt,
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nämlich in der beständigen Natur, nach etwas, das nur in
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der Welt der künstlich erzeugten, vergänglichen Kerne
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zu finden war. Der Grund für dieses beharrliche
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Scheitern wurde erst später klar.
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Man suchte das Element in natürlichen Mineralien, in Erzen
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der Seltenen Erden, in der Hoffnung, es dort in messbaren
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Mengen zu finden. Doch weil das Promethium
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radioaktiv ist und in der Natur nicht dauerhaft bestehen kann,
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war diese Suche von vornherein zum Scheitern verurteilt, man
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suchte etwas, das an diesen Orten schlicht nicht mehr
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existierte. Erst als sich die Kernphysik so
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weit entwickelt hatte, dass man Elemente künstlich erzeugen
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konnte, wendete sich das Blatt. Der Schlüssel lag im
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Kernreaktor, jener neuen Technik, die während des Zweiten
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Weltkriegs entwickelt wurde, in einem Reaktor spalten sich
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urankerne, und bei dieser Spaltung entstehen zahllose neue
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Kerne als sogenannte Spaltprodukte unter diesen.
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Spaltprodukten befindet sich auch das Promethium, denn wenn
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ein schwerer Urankern in 2 Teile zerbricht, kann einer dieser
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Teile durchaus die Ordnungszahl 61 tragen.
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Im Jahr 1945 gelang schließlich der Nachweis am
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Forschungszentrum in Oak Ridge in den Vereinigten Staaten
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untersuchten die forschenden Jacob Marinsky Lawrence, Glenn
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Danon und Charles Correlle die. Die Spaltprodukte des Urans mit
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Hilfe eines neuen Trennverfahrens, der sogenannten
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Ionenaustausch Chromatographie. Mit dieser Methode konnten sie
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die einander so ähnlichen Seltenen Erden erstmals sauber
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voneinander trennen, und dabei stießen sie auf das langgesuchte
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Element mit der Ordnungszahl 61. Endlich hatte man es in Händen,
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wenn auch nur in winzigen Mengen und in einer radioaktiven,
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ständig zerfallenden Form. Die offizielle Bekanntgabe der
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Entdeckung erfolgte erst einige Jahre später im Jahr 1947 nun
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stellte sich die Frage nach einem Namen, es war Grace Mary
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Coryal. Die Ehefrau von Charles Coryal,
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die den entscheidenden Vorschlag machte.
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Sie schlug den Namen Prometium vor, in Anlehnung an die Gestalt
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des Prometheus aus der griechischen Sage Prometheus war
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jener Titan, der den Göttern das Feuer stahl und es den Menschen
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brachte und der dafür von Zeus mit einer grausamen Strafe
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belegt wurde. Der Name war mit Bedacht
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gewählt. Zum einen erinnerte er an das
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Feuer, an die gewaltige Energie, die in der Kernspaltung
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freigesetzt wird und die auch das Prometium hervorbringt, zum
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anderen schwang darin eine Mahnung mit, denn die Gabe des
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Feuers brachte den Menschen nicht nur Segen, sondern auch
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Gefahr. So trägt das Element bis heute
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den Namen eines Titanen und mit ihm die Erinnerung an die
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Doppelnatur menschlicher Erkenntnis, die zugleich
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befreien und bedrohen kann. Das wichtigste und am längsten
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lebende, praktisch nutzbare Isotop des Promethiums trägt die
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Massenzahl 147 es zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa
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zweieinhalb Jahren. Die Halbwertszeit ist jene
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Zeitspanne, nach der die Hälfte einer gegebenen Menge eines
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radioaktiven Stoffes zerfallen ist.
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Nach zweieinhalb Jahren ist also die Hälfte des Promethiums
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verschwunden, nach 5 Jahren ist nur noch ein Viertel übrig, nach
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siebeneinhalb Jahren ein Achtel. Und sofort?
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Diese verhältnismäßig kurze Lebensdauer ist der Grund, warum
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man Prometium für jede Anwendung immer wieder neu herstellen
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muss. Es lässt sich nicht bevorraten,
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nicht ansammeln, nicht für spätere Zeiten aufheben wie ein
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Phantom entzieht es sich jedem Versuch, es dauerhaft
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festzuhalten beim Zerfall des Prometiums 147 sendet der Kern
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eine sogenannte Betastrahlung aus.
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Diese besteht aus schnellen Elektronen, die aus dem Kern
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herausgeschleudert werden. Wenn sich dort ein Neutron in
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ein Proton verwandelt. Aus dem Prometium entsteht dabei
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ein stabiles Isotop des Nachbarelements Samarium die
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Beta Strahlung des Promethiums ist verhältnismäßig weich, das
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heißt Energiearm, und lässt sich schon durch eine dünne Schicht
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Material abschirmen. Gerade diese Eigenschaft hat das
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Prometium für bestimmte Anwendungen interessant gemacht,
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denn es strahlt, ohne dabei die durchdringende und gefährliche
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Gammastrahlung in großen Mengen zu erzeugen, wie sie viele
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andere radioaktive Stoffe aussenden.
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Die vielleicht bekannteste Anwendung des Prometiums nutzt
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genau dieses sanfte Leuchten, man kann die Energie der
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Betastrahlung nämlich in sichtbares Licht verwandeln.
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Dazu mischt man das Promethium mit einem Leuchtstoff, einer
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Substanz, die aufleuchtet, wenn sie von Strahlung getroffen
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wird. Auf diese Weise entsteht eine
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Leuchtfarbe, die von selbst und ohne jede äußere Energiequelle
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über Jahre hinweg ein schwaches, stetiges Licht abgibt.
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Solche Leuchtfarben wurden verwendet, um die Zeiger und
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Ziffern von Uhren. Die Skalen von Messgeräten und
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die Anzeigen in Flugzeugen und militärischem Gerät auch in
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völliger Dunkelheit ablesbar zu machen.
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Früher hatte man für diesen Zweck das weitaus gefährlichere
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Radium benutzt, das eine stark durchdringende Strahlung
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aussendet und zu schweren gesundheitlichen Schäden geführt
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hatte. Das Prometium galt als deutlich
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sicherere Alternative. Weil seine weiche Strahlung kaum
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aus dem Gerät heraustrat. Dennoch ist auch der Umgang mit
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Prometium nicht ohne Risiko und verlangt sorgfältige
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Schutzmaßnahmen. Eine weitere faszinierende
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Anwendung führt uns hinaus in den Weltraum, weil das Prometium
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beim Zerfall eine Energie in Form von Wärme abgibt, lässt
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sich diese Wärme in Strom verwandeln.
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Man spricht dann von einer Radionuklidbatterie oder einer
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Atombatterie. In einer solchen Batterie wird
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die Zerfallswärme eines radioaktiven Stoffes über
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sogenannte Thermoelektrische Wandler in elektrischen Strom
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umgesetzt. Solche Batterien liefern über
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Jahre hinweg zuverlässig Energie, ganz ohne bewegliche
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Teile und ohne Nachladen, die. Zwar wird für die großen
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Raumsonden meist ein anderes Element namens Plutonium
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verwendet, doch das Promethium wurde ebenfalls für kleinere
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Anwendungen erprobt, etwa für Batterien, die über lange
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Zeiträume geringe Mengen an Strom liefern sollen.
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Auch hier zeigt sich die Doppelnatur des Elements, sein
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steter Zerfall ist. Der es so vergänglich macht, ist
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zugleich die Quelle einer zuverlässigen und lang
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anhaltenden Energie. In jüngerer Zeit hat das
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Promedium noch einmal neues Interesse geweckt, und zwar im
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Zusammenhang mit einer besonderen Art winziger
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Langzeitbatterien statt die Zerfallswärme in Strom zu
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verwandeln, verfolgt man hier einen anderen Weg.
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Man nutzt die Betastrahlung unmittelbar, indem man sie auf
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ein Halbleitermaterial treffen lässt, das die Energie der
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schnellen Elektronen direkt in elektrischen Strom umsetzt.
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Man spricht von einer betavoltaik Zelle in Anlehnung
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an die vertraute Solarzelle, die das Sonnenlicht in Strom
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verwandelt. Eine solche Zelle mit Promethium
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liefert zwar nur eine winzige Leistung, tut dies aber über
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viele Jahre hinweg völlig wartungsfrei.
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Für bestimmte Anwendungen, etwa für Sensoren an schwer
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zugänglichen Orten oder für medizinische Geräte im Körper,
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ist eine solche verlässliche Miniaturquelle von Strom von
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großem Wert. Manche forschende arbeiten sogar
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daran, radioaktive Stoffe in künstliche Diamanten
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einzuschließen, um besonders sichere und langlebige Batterien
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zu schaffen, das Promethium. Dieses vergängliche Phantom
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könnte auf diese Weise künftig kleine Geräte über Jahre hinweg
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mit Leben versorgen, ganz aus der stillen Kraft seines eigenen
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Zerfalls heraus kehren wir noch einmal zur Herstellung des
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Prometiums zurück, denn sie ist alles andere als einfach, der
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größte Teil des heute verfügbaren Prometiums stammt
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aus den Spaltprodukten von Kernreaktoren.
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Wenn abgebrannte Brennelemente aus einem Reaktor wieder
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aufbereitet werden, findet sich in dem Gemisch der Spaltprodukte
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auch das Prometium, allerdings vermischt mit einer Vielzahl
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anderer radioaktiver Stoffe. Es aus diesem hochradioaktiven
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Gemisch Herauszutrennen ist eine anspruchsvolle und aufwändige
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Aufgabe, die nur in speziell ausgestatteten Anlagen und unter
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größten Sicherheitsvorkehrungen möglich ist.
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Alternativ lässt sich Prometium auch gezielt erzeugen, indem man
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das Nachbarelement Neodym mit Neutronen bestrahlt.
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Durch den Einfang eines Neutrons und einen anschließenden Zerfall
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verwandelt sich das Neodym dann in Prometium beide Verfahren
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sind teuer und liefern nur kleine Mengen, weshalb Prometium
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bis heute zu den seltenen und kostbaren Stoffen der Technik
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gehört. In seinen chemischen
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Eigenschaften unterscheidet sich das Prometium kaum von seinen
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Nachbarn unter den Seltenen Erden wie das Neodym und das
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Samarium tritt es fast immer in einer dreifach positiv geladenen
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Form auf, seine Verbindungen zeigen zarte Farben, ein blasses
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Rosa oder ein leichtes Gelb. Doch anders als bei allen
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anderen Seltenen Erden lässt sich mit dem Promethium kaum in
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Ruhe experimentieren, denn seine ständige Strahlung erwärmt und
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verändert die Substanz fortwährend.
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Reines Prometiummetall glüht in der Dunkelheit sogar schwach in
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einem bläulichen oder grünlichen Schein, hervorgerufen durch die
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eigene Strahlung, die die umgebende Luft zum Leuchten
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anregt. Es ist ein gespenstischer
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Anblick, ein Metall, das aus sich selbst heraus leuchtet, ein
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sichtbares Zeichen der unaufhörlichen Umwandlung, die
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in seinem Inneren vor sich geht. Es lohnt sich, einen Augenblick
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über die besondere Stellung nachzudenken, die das Prometium
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unter den Seltenen Erden einnimmt.
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Diese Gruppe von Elementen zeichnet sich dadurch aus, dass
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sich ihre Mitglieder chemisch außerordentlich ähnlich
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verhalten. Der Grund liegt darin, dass sich
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bei ihnen von Element zu Element eine tief im Atom verborgene
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Elektronenschale auffüllt, während die äußeren Elektronen,
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die für das chemische Verhalten verantwortlich sind, nahezu
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unverändert bleiben deshalb. Ähneln sich das Neodym, das
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Prometium und das Samarium in ihren chemischen Reaktionen so
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sehr, dass ihre Trennung eine der schwierigsten Aufgaben der
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Chemie darstellt? Und doch könnten ihre Schicksale
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kaum verschiedener sein, das Neodym und das Samarium besitzen
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stabile Isotope und kommen in der Natur in beträchtlichen
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Mengen vor, das Prometium dagegen.
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Ist zwischen ihnen eingekeilt wie ein Fremdling ohne jede
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beständige Form, dazu verurteilt, aus der Welt zu
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verschwinden? Man kann sich das Periodensystem
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an dieser Stelle wie eine lange Reihe von Häusern vorstellen, in
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der ein einziges Leer steht und verfällt, während links und
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rechts davon das Leben blüht. Diese Nachbarschaft von
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Beständigkeit und Vergänglichkeit auf engstem Raum
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macht das Promedium für die Wissenschaft so lehrreich, denn
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an ihm lässt sich studieren, wo genau die Grenze zwischen einem
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dauerhaften und einem zum Zerfall bestimmten Atomkern
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verläuft. So steht das Prometium
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sinnbildlich für die Vergänglichkeit und zugleich für
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den menschlichen Forschergeist, der auch das Flüchtigste noch zu
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fassen und zu verstehen sucht. Es ist ein Element, das uns
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daran erinnert, dass Beständigkeit in der Natur keine
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Selbstverständlichkeit ist. Alles, was uns fest und
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dauerhaft erscheint, die Gesteine unter unseren Füßen.
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Die Metalle in unseren Händen ist letztlich das Ergebnis eines
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feinen Gleichgewichts der Kräfte im Inneren der Atomkerne.
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Das Prometium hat dieses Gleichgewicht nie erreicht und
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ist deshalb dazu verurteilt, immer wieder aufs Neue zu
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vergehen, und doch hat der Mensch gelernt, dieses
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vergängliche Element zu erzeugen, zu bändigen und für
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seine Zwecke zu nutzen. Darin liegt etwas zutiefst
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prometäisches, ganz im Sinne des Titanen, dessen Namen es trägt,
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wenn wir am Ende dieser Reise noch einen Gedanken mitnehmen
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wollen, dann vielleicht diesen. Das Promethium mahnt uns zur
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Achtsamkeit im Umgang mit den gewaltigen Kräften, die im
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Inneren der Materie schlummern. Die Kernenergie, aus der das
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Prometium hervorgeht, birgt ungeheure Möglichkeiten und
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ebenso ungeheure Gefahren. Ihr verantwortungsvoller
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Gebrauch, der die Sicherheit der Menschen und den Schutz unserer
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Umwelt in den Mittelpunkt stellt, gehört zu den
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drängendsten Fragen unserer Zeit.
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Die radioaktiven Hinterlassenschaften, die bei
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der Nutzung der Kernkraft entstehen, werden uns.
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Und die kommenden Generationen über sehr lange Zeiträume
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begleiten. Ein Bedachtsamer, transparenter
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und gemeinschaftlich getragener Umgang mit ihnen ist Ausdruck
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der Verantwortung, die wir für unseren Planeten und für die
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Menschen nach uns tragen. Das leuchtende Phantom
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Promethium erinnert uns leise daran, dass wahre Meisterschaft
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nicht darin besteht, eine Kraft zu entfesseln, sondern darin.
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Sie mit Weisheit und Umsicht zu lenken.
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Ich danke dir, dass du heute mit auf diese Reise durch das
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Periodensystem gekommen bist und wünsche dir eine ruhige und
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erholsame Zeit.