Zerfallsreihen und künstliche Nuklide

Ein Nuklid ist eine bestimmte Zusammensetzung eines Atomkerns und ist durch seine Protonen- und Neutronenzahl definiert. Die Anzahl Protonen bestimmt, um welches Element es sich handelt. Bleibt diese Zahl gleich und ändert sich nur die Neutronenzahl, so handelt es sich um ein Isotop. Ein Nuklid wird folgendermassen dargestellt:

^A_ZX \space \space

A	Nukleonenzahl (Anzahl Protonen + Neutronen)
Z	Kernladungszahl (Anzahl Protonen)
X	Element (chemisches Symbol)

Beispiel

Das Element Uran besitzt 92 Protonen und eine Nukleonenzahl von 238, das heisst im Kern sind noch 146 Neutronen: $^{238}_{92}\mathrm{U}$ . Ein Isotop von Uran ist beispielsweise $^{235}_{92}\mathrm{U}$ . Die Protonenanzahl ist dabei gleich und die Neutronenanzahl nimmt um drei ab. Es sind somit noch 143 Neutronen.

Zerfallsreihen

Es gibt Nuklide, die bereits seit der Entstehung der Erde vorhanden sind. Zerfallsreihen, die von solchen Atomkernen ausgehen, sind die sogenannten natürlichen Zerfallsreihen. Dabei zerfällt ein Ausgangsnuklid in ein nächstes Nuklid, ein Zwischennuklid, welches wiederum zerfällt. Dieser Prozess dauert so lange, bis ein Nuklid in ein stabiles Endnuklid zerfällt.

Es zerfallen nicht alle Nuklide gleich, sondern es gibt unterschiedliche Zerfallstypen:

$\alpha$ -Zerfall	Dabei zerfällt das Nuklid in einen Kern, welcher 2 Protonen und 2 Neutronen weniger hat. Das heisst A-4 und Z-2. Es handelt sich um ein neues Element
$\beta^-$ -Zerfall	Dabei zerfällt das Nuklid in einen Kern, welcher 1 Proton mehr und 1 Neutron weniger hat. Das heisst A bleibt gleich und Z+1. Es handelt sich ebenfalls um ein neues Element

Es gibt vier solche natürlichen Zerfallsreihen, wobei eine in der Natur nicht mehr vorkommt.

Beispiel

Eine dieser natürlichen Zerfallsreihen ist die Uran-Radium-Reihe:

$^{238}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{234}_{90}\mathrm{Th} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space^{234}_{91}\mathrm{Pa} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{234}_{92}\mathrm{U}\xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{230}_{90}\mathrm{Th} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space^{226}_{88}\mathrm{Ra} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space^{222}_{86}\mathrm{Rn} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{218}_{84}\mathrm{Po} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{214}_{82}\mathrm{Pb} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{214}_{83}\mathrm{Bi} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{214}_{84}\mathrm{Po} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{210}_{82}\mathrm{Pb} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{210}_{83}\mathrm{Bi} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{210}_{84}\mathrm{Po} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{206}_{82}\mathrm{Pb}$

Eine weitere ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Physik; Radioaktivität und Kernphysik; 1. Sek / Bez / Real; Zerfallsreihen und künstliche Nuklide

Künstliche Nuklide

Durch die Hilfe von Kernumwandlung können auch künstliche radioaktive Nuklide erzeugt werden. Das geschieht durch den Beschuss des Nuklids beispielsweise mit Protonen, Neutronen oder Atomkernen. Zudem können solche Atomkerne auch durch Bestrahlung entstehen. Viele dieser künstlich erschaffenen Nuklide haben eine sehr kurze Halbwertszeit und kommen daher nicht in der Natur vor.

Beispiel

Ein künstlich erzeugtes radioaktives Nuklid ist beispielsweise Plutonium $^{239}_{94}\mathrm{Pu}$ . Es entsteht durch Beschuss des Urankerns mit einem Neutron, wobei sich die folgende Reaktionskette ergibt:

$^{238}_{92}\mathrm{U} + \space ^1_0\mathrm{n} \xrightarrow{} \space ^{239}_{92}\mathrm{U} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{239}_{93}\mathrm{Np} \xrightarrow{\beta^--Zerfall} \space ^{239}_{94}\mathrm{Pu} \xrightarrow{\alpha-Zerfall} \space ^{235}_{92}\mathrm{U} + \space ^4_2\mathrm{He}$

Weitere Arten von radioaktiven Kernzerfällen

In der obigen Tabelle wurden bereits zwei Arten radioaktiven Zerfalls vorgestellt. Dazu kommen noch der Gamma-Zerfall bzw. der Gammaübergang und der Beta(+)-Zerfall.

$\gamma$ -Zerfall	Dabei bleibt das Nuklid erhalten. Es geht jedoch von einem energetisch höheren Zustand in einen energetisch tieferen Zustand, indem es dabei ein sogenanntes $\gamma$ -Quant abgibt.
$\beta^+$ -Zerfall	Dabei zerfällt das Nuklid in einen Kern, welcher 1 Proton weniger und 1 Neutron mehr hat. Das heisst A bleibt gleich und Z+1. Es handelt sich ebenfalls um ein neues Element

Beispiel

Schauen wir uns für jeden Zerfall ein Beispiel an:

$\alpha$ -Zerfall	$^{226}_{88} \mathrm{Ra} \rightarrow \ ^{222}_{86} \mathrm{Rn} +\ ^4_2 \mathrm{He}$	ein Heliumnuklid, ein $\alpha$ -Teilchen, wird frei
$\beta^-$ -Zerfall	$^{137}_{55} \mathrm{Cs} \rightarrow \ ^{137}_{56} \mathrm{Ba} + e^- + \bar \nu$	ein Elektron und ein Antineutrino werden frei
$\beta^+$ -Zerfall	$^{22}_{11} \mathrm{Na} \rightarrow \ ^{22}_{10} \mathrm{Ne} + e^+ + \nu$	ein Positron und ein Neutrino werden frei
$\gamma$ -Zerfall	$^{137}_{56} \mathrm{Ba} \rightarrow \ ^{137}_{56} \mathrm{Ba} + \gamma$	ein $\gamma$ -Quant wird frei

Die drei Strahlungsarten ( $\beta^- \mathrm{und} \ \beta^+$ werden als eine zusammengefasst), haben unterschiedliche Eigenschaften, können jedoch alle für Menschen gefährlich sein.