Zerfallsreihe

Grundidee der Zerfallsreihe

Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge der Nuklide, die nacheinander aus einem radioaktiven Zerfall entstehen. Ein instabiles Radionuklid wandelt sich in ein anderes Nuklid um, dieses in ein weiteres und so fort, bis ein Endnuklid erreicht ist. Das unmittelbar entstehende Nuklid heißt Tochternuklid, die folgenden Nuklide Enkelnuklid, Urenkelnuklid usw.

Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich deshalb vorübergehend ein Gemisch verschiedener Nuklide. Nuklide mit kurzer Halbwertszeit, also kurzer Zeit für den Zerfall der Hälfte einer Menge, sind darin nur in geringer Konzentration vorhanden. Nuklide mit längerer Halbwertszeit sammeln sich stärker an. Einzelne Nuklide zerfallen nach einer Kinetik erster Ordnung gemäß dem Zerfallsgesetz. Wird ein Nuklid jedoch laufend durch Vorläufer in der Zerfallsreihe nachgebildet, wird die Berechnung seiner zeitabhängigen Konzentration deutlich komplizierter. Jens Christoffers beschrieb 1986 dafür einen übersichtlichen Berechnungsweg und einen Algorithmus zur Programmierung.

Die drei natürlichen Reihen

Praktisch und historisch besonders wichtig sind die Zerfallsreihen der primordialen Radionuklide Uran-238, Uran-235 und Thorium-232. Primordial bedeutet hier, dass das Nuklid seit der Entstehung der Erde vorhanden ist. Diese natürlichen radioaktiven Familien entstehen vor allem durch Alpha- und Betazerfälle, die sich mehr oder weniger regelmäßig abwechseln. Die seltene Spontanspaltung einzelner beteiligter Nuklide kann die jeweilige Reihe verlassen und wird bei der Beschreibung nicht berücksichtigt.

Beim Alphazerfall sinkt die Massenzahl A des Atomkerns um 4, beim Betazerfall bleibt sie unverändert. Wird die Massenzahl als A = 4n + m geschrieben, wobei n eine natürliche Zahl und m eine der Zahlen 0, 1, 2 oder 3 ist, bleibt m innerhalb einer Zerfallsreihe konstant. Daraus ergeben sich drei natürliche Reihen:

• Uran-238 bildet die „(4n+2)-Reihe“ oder Uran-Radium-Reihe. Ihr Endnuklid ist Blei-206.
• Uran-235 bildet die „(4n+3)-Reihe“ oder Uran-Actinium-Reihe. Ihr Endnuklid ist Blei-207.
• Thorium-232 bildet die „(4n)-Reihe“ oder Thorium-Reihe. Ihr Endnuklid ist Blei-208.

Thorium-232 ist primordial. Nach heutiger Kenntnis waren auf der Erde außerdem seine Vorgängernuklide bis zum Plutonium-244 vorhanden.

Die fehlende vierte Reihe

In der Systematik A = 4n + m fehlt die Reihe mit m = 1. Im Massenzahlbereich von Uran und Thorium gibt es kein primordiales Nuklid mit A = 4n+1; deshalb kommt diese Reihe in der Natur nicht mehr regulär vor. Als vierte Reihe wird systematisch die Reihe künstlich erzeugbarer Nuklide wie Plutonium-241 oder Neptunium-237 betrachtet. Sie heißt „(4n+1)-Reihe“ oder Neptunium-Reihe und endet bei Thallium-205.

Das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden. Es wurde lange als Endnuklid angesehen. Erst 2003 wurde entdeckt, dass es ein Alphastrahler mit einer Halbwertszeit von 19 Trillionen Jahren ist.

Geringe Mengen Neptunium-237 können natürlich durch eine (n,2n)-Reaktion in Uran-238 und den anschließenden Betazerfall des kurzlebigen Uran-237 entstehen. Dabei trifft ein schnelles Neutron auf den Kern, wird absorbiert und zwei Neutronen werden ausgestoßen. Die schnellen Neutronen stammen aus Spontanspaltung oder kosmischer Strahlung. Dieser Prozess ist sehr selten; menschengemachtes Neptunium-237 ist auf der Erde inzwischen weit häufiger.

In Kernreaktoren entsteht Neptunium-237 hauptsächlich durch Neutroneneinfang in Uran-235 ohne Spaltung, anschließenden Neutroneneinfang in Uran-236 und den Betazerfall von Uran-237. Bei thermischen Neutronen führen etwa 14,5 % der Reaktionen von Uran-235 mit Neutronen nicht zur Spaltung, sondern zur Bildung von Uran-236. Auch im Naturreaktor Oklo waren vor fast zwei Milliarden Jahren ähnliche Bedingungen vorhanden. Das dort gebildete Neptunium-237 ist jedoch inzwischen zerfallen. Heute tritt dieser Bildungsweg in Uranerzen wegen höherer Neutronengeschwindigkeit, geringer verfügbarer Mengen Uran-235 und niedriger Neutronenflussdichte kaum noch auf. Eine weitere Quelle ist der Zerfall von Americium-241, einem künstlichen Alphastrahler mit 432 Jahren Halbwertszeit, der unter anderem in Rauchmeldern verwendet wird. Durch nicht immer sachgemäße Entsorgung gelangten geringe, aber nachweisbare Neptuniummengen in die Umwelt; dadurch wurde die Reihe teilweise „reaktiviert“.

Das Nuklid Thallium-210 gibt in sehr seltenen Fällen, nämlich zu 0,007 %, ein einzelnes Neutron ab. Dadurch wechselt der Kern aus der Uran-Radium-Reihe in die Neptunium-Reihe.

Darstellung in der Nuklidkarte

In der Nuklidkarte sind die beteiligten Nuklide nach ihrer Protonenzahl Z und Neutronenzahl N angeordnet. Die dargestellten Bereiche reichen bei den Neutronenzahlen von N = 124 bis N = 150 und umfassen unter anderem die Elemente Curium (Z = 96), Americium (Z = 95), Plutonium (Z = 94), Neptunium (Z = 93), Uran (Z = 92), Protactinium (Z = 91), Thorium (Z = 90), Actinium (Z = 89), Radium (Z = 88), Francium (Z = 87), Radon (Z = 86), Astat (Z = 85), Polonium (Z = 84), Bismut (Z = 83), Blei (Z = 82), Thallium (Z = 81) und Quecksilber (Z = 80).

Die Karte kennzeichnet die Uran-Radium-, Uran-Actinium-, Thorium- beziehungsweise Plutonium-Thorium- sowie die Plutonium-Neptunium- oder Neptunium-Reihe. Außerdem werden stabile oder primordiale Nuklide und Fortsetzungen markiert. An den Nukliden ist angegeben, ob sie durch Alpha- oder Betazerfall, Elektroneneinfang oder in seltenen Fällen über mehrere mögliche Zerfallsarten zerfallen. Beispiele für solche Verzweigungen sind Uran-241, das zu 99,0075 % durch Betazerfall und zu 0,0025 % durch Alphazerfall zerfällt, sowie Bismut-212, bei dem Betazerfall mit 64,06 % und Alphazerfall mit 35,94 % angegeben sind.

Historische Bezeichnungen

Während der klassischen Erforschung der Zerfallsreihen im frühen 20. Jahrhundert trugen viele Nuklide eigene historische Namen. Diese Namen verwiesen oft auf die Zugehörigkeit zu einer Reihe und auf ähnliche Eigenschaften. So heißen Radon, Thoron und Actinon historische Bezeichnungen für Edelgase verschiedener Reihen.

Beispiele sind Uran I (U_I) für Uran-238, Actinuran (AcU) für Uran-235, Uran II (U_II) für Uran-234, Uran X_1 (UX_1) für Thorium-234, Thorium (Th) für Thorium-232 und Actinium (Ac) für Actinium-227. Weitere Namen waren Radium (Ra) für Radium-226, Thorium X (ThX) für Radium-224, Radon (Rn) für Radon-222, Thoron (Tn) für Radon-220 und Actinon (An) für Radon-219.

Die alten Reihenfolgen lauteten zusammengefasst:

• Uran-Radium-Reihe: U_I → UX_1 → UX_2 (→ UZ) → U_II → Io → Ra → Rn → RaA → RaB → RaC → RaC′ oder RaC″ → RaD → RaE → RaF → RaG.
• Uran-Actinium-Reihe: AcU → UY → Pa → Ac → RdAc oder AcK → AcX → An → AcA → AcB → AcC → AcC″ oder AcC′ → AcD.
• Thorium-Reihe: Th → MsTh_1 → MsTh_2 → RdTh → ThX → Tn → ThA → ThB → ThC → ThC′ oder ThC″ → ThD.

Radionuklide außerhalb der Reihen

Nicht alle Radionuklide gehören zu einer Zerfallsreihe. Einige Betastrahler sind nicht wegen einer zu hohen Atommasse instabil, sondern wegen eines ungünstigen Verhältnisses von Neutronen zu Protonen. Das erklärt die Lücken im Periodensystem der stabilen Elemente bei den Kernladungszahlen 43 und 61. Die entsprechenden Elemente Technetium und Promethium wurden zuerst als Spaltprodukte nachgewiesen. Inzwischen ist bekannt, dass sie in extrem geringer Konzentration auch natürlich durch Spontanspaltung entstehen und durch Betazerfall wieder zerstört werden.

Technetium-99, das bedeutendste, aber nicht langlebigste Technetium-Isotop, entsteht außerdem durch Neutroneneinfang in Molybdän-98 mit anschließendem Betazerfall. Der Mensch nutzt diese Herstellung; sie kann auch natürlich auftreten, wenn Molybdänmineralien geeigneten Neutronenströmen ausgesetzt sind.

Der mengenmäßig bedeutendste Betastrahler auf der Erde und im menschlichen Körper ist Kalium-40. Dieses langlebige Kalium-Isotop zerfällt zu Argon-40 und, häufiger, zu Calcium-40. Die frühere Menge von Kalium-40 lässt sich unter anderem daraus abschätzen, dass Argon das dritthäufigste Gas der Erdatmosphäre ist und dort anders als in der Sonne fast ausschließlich aus ^40Ar besteht. Es stammt daher mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit aus dem Zerfall von ^40K.

Kosmogene Radionuklide werden durch kosmische Einwirkungen gebildet. Auf der Erde befinden sie sich in einem dynamischen Fließgleichgewicht: In der oberen Atmosphäre entsteht größenordnungsmäßig genauso viel, wie im gleichen Zeitraum zerfällt. Das bekannteste Beispiel ist Kohlenstoff-14, das zur Datierung mit der Radiokarbonmethode verwendet wird.