Die Nuklide und ihr Zerfall

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Die Nuklide und ihre Zerfallsmechanismen

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a) Stabile Nuklide/Nuklide größtmöglicher Stabilität

Für jede Massenzahl gibt es einen Zustand größtmöglicher Stabilität, welcher bei leichten Kernen (Massenzahlen kleiner als 209) durch Nuklide belegt werden, welche immens hohe (Größenordnung: >10³⁰ Jahre) Halbwertszeiten aufweisen. Hier hat das Protonen-zu-Neutronen-Verhältnis einen Idealwert. Diese Nuklide bezeichnet man auch als "stabil". Sie sind in der Karte violett dargestellt; ihr Anteil am jeweiligen natürlichen Isotopengemisch eines Elementes ist als Prozentzahl angegeben. Elemente, welches nur ein einziges solches Isotop besitzen, bezeichnet man auch als Reinelemente (es gibt insgesamt 23).

stabil

größtmögliche

Für Elemente von Massenzahlen von mehr als 208 (ab Wismut) gibt es keine stabilen Zustände mehr, sondern lediglich einen Bereich, in welchem Nuklide größerer Halbwertzeiten existieren können. Nuklide, die in diesem Stabilitätsbereich liegen, sind in der Karte - neben den Farben ihrer Zerfallsmodi - violett umrandet dargestellt. Dieser Stabilitätsbereich findet sich bis etwa zum Mendelevium (Massenzahlen bis etwa 250, bzw. 100 Protonen).

Stabilität

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b) Zerfälle bei Protonen-Überschuss

Protonenemitter: Nukide mit Massenzahlen kleiner 200, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis sehr starke Protonenüberschüsse haben, neigen dazu, direkt Protonen zu emittieren. Nuklide, welche nur Protonen emittieren, haben sehr kurze Halbwertzeiten. Manche von ihnen zerfallen bereits nach 10^-24 Sekunden zur Hälfte weiter. Diese Isotope sind mit hellbeiger Farbe (Icon links) dargestellt.

Protonenemitter

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Elektronenfänger: Nuklide mit Massenzahlen kleiner 200, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis schwächere Protonenüberschüsse haben, neigen dazu, aus der innersten Atomhülle ("Heliumschale") Elektronen einzufangen. Dabei wandelt das Elektron ein Proton in ein Neutron um. Diese Isotope sind mit hellblauer Farbe (Icon links) dargestellt. Die Halbwertzeit solcher Nuklide beträgt im Allgemeinen zwischen einigen Millisekunden bis hin zu Tausenden von Jahren. Einige Nuklide, die nahe unterhalb des Stabilitätsmaximums liegen, und gerade Neutronenzahlen aufweisen, neigen zu doppelten Elektroneneinfang. Sie haben sehr große Halbwertzeiten (>>10¹⁵ Jahre) und sind dunkelblau dargestellt.

Elektronenfänger

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Alphastrahler: Nuklide mit Neutronenzahlen größer 84 (und einigen wenigen leichteren Ausnahmen), welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis Protonenüberschüsse haben, oder schwerer als 208 Masseneinheiten sind, neigen zur Emission von Heliumkernen (= Alphateilchen). Dabei nimmt die Masse um vier Einheiten (Heliumkerne haben ebenjene Masse) ab; die Massenzahl ändert sich also um vier, die Protonenzahl um zwei Einheiten. Diese Isotope sind mit hellgrüner Farbe (Icon links) dargestellt. Alphastrahler besitzen im Allgemeinen sehr kurze Halbwertzeiten, jedoch gibt es auch hier Ausnahmen, welche erst nach Jahrmilliarden zur Hälfte zerfallen sind.

Alphastrahler

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c) Zerfälle bei Neutronen-Überschuss

Neutronenemitter: Nukide mit Massenzahlen kleiner 200, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis sehr starke Neutronenüberschüsse haben, neigen dazu, direkt Neutronen zu emittieren. Nuklide, welche nur Neutronen emittieren, haben sehr kurze Halbwertzeiten, die jenen der Protonenemitter vergleichbar sind (~10^-24 Sekunden). Diese Isotope sind mit hellgrauer Farbe (Icon links) dargestellt.

Neutronen-Emitter

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Betastrahler: Nuklide, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis schwächere Neutronenüberschüsse haben, neigen zur Umwandlung von Neutronen zu Protonen; dabei wird ein Elektron emittiert. Diese Isotope sind mit hellroter Farbe (Icon links) dargestellt. Die Halbwertzeit solcher Nuklide beträgt im Allgemeinen zwischen einigen Millisekunden bis hin zu Tausenden von Jahren. Einige Nuklide, die nahe oberhalb des Stabilitätsmaximums liegen, und gerade Neutronenzahlen aufweisen, neigen zu doppeltem Betazerfall. Sie haben sehr große Halbwertzeiten (>>10¹⁵ Jahre) und sind dunkelrot dargestellt.

Betastrahler

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d) Komplexere Zerfallsarten eines Nuklids

Kerne mit

Nuklide mit Spontanzerfall. Nuklide großer Massenzahlen (>229) können spontan in zwei verschieden große Kernbruchstücke zerfallen, welche zumeist 40% bis 60% der Kernmasse des Mutternuklids haben. Sehr selten entstehen gleichgroße Bruchstücke. Solche Nuklide sind in der Karte hellgelb untermalt dargestellt (Siehe Icon links).

Spontanzerfall

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Cluster: Manche Nuklide mit großen Protonenüberschüssen oder Massenzahlen von mehr als 220 können - ähnlich dem Alphazerfall - unter der Aussendung größerer Kernbruchstücke zerfallen. Sehr häufig sind Emissionen von Kohlenstoff-, Sauerstoff- oder Neonkernen. Nuklide, die einem solchen Zerfall unterliegen, sind in der Karte grün untermalt dargestellt (damit soll auch die Ähnlichkeit zum - hellgrün dargestellten Alphazerfall deutlich gemacht werden).

Cluster-Emitter

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Cluster-Zerfall von Radium-226

Bitte die Grafik mit dem Mauspfeil berühren

Spontanzerfall von Plutonium-244

Cluster-Emitter: Alle Cluster-Emitter sind vorwiegende Alpha-Strahler, welche zu einem sehr geringen Anteil zur Emission größerer Kerne neigen. In der Zerfalls-Informations-Ansicht wird bei ihnen daher ein zwei- oder dreigeteiltes Fenster dargestellt: Oben links findet sich dabei der direkte Weiterzerfall des entsprechenden Nuklids. Unten rechts ist der Weiterzerfall des Tochternuklids aus der Cluster-Emission abgebildet. Hellgrün umrahmt ist das emittierte Teilchen angezeigt.

Spontanzerfall: Ab einer Protonenzahl von 90 (Thorium) bei gleichzeitig mehr als 139 Neutronen neigen Kerne dazu, in unterschiedlich große Kernbruchstücke neben einigen Neutronen (zumeist zwei bis sieben) zu zerfallen. Die resultierenden Kernbruchstücke haben zwischen 30 und 70% der Masse des Mutterkerns; ein Häufigkeitsmaximum ist bei ~40% und ~60% zu finden. Selten sind sowohl Kernbruchstücke mit 30 bzw. 70% der Masse des Mutterkerns, als auch gleich große Kernbruchstücke. Die Grafiken sind auf den Nuklid-Seiten durch Berührung der Zerfallsreihengrafik mit dem Mauspfeil einsehbar (siehe Grafik rechts oben).

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e) Mehrere Zerfallsarten eines Nuklids

Gemischter

Nuklide mit Elektroneneinfang und Betastrahlung: Viele Nuklide mit ungerader Protonen- und Neutronenzahl, die zwei direkte stabile Nachbarnuklide auf der Isobaren besitzen (immer gerade Neutronen- und Protonenzahl), neigen dazu, mit unterschiedlich hohen Wahrscheinlichkeiten entweder durch Elektroneneinfang oder Betastrahlung in eines dieser beiden stabilen Isotope zu zerfallen. Sie sind in der Karte dementsprechend hellrot und hellblau untermalt dargestellt eingezeichnet.

ε/β^--Zerfall

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Gemischter

Nuklide mit Elektroneneinfang und Alphastrahlung: Viele Nuklide mit Neutronenzahlen von mehr als 84 (ab dem Element Neodym, 60 Protonen) neigen bei Protonenüberschuss in ihrem Protonen-zu-Neutronen-Verhältnis mit immer höher werdender Wahrscheinlichkeit bezüglich ihrer Masse, neben Elektroneneinfang auch durch Alphastrahlung (Heliumkern-Emission) zu zerfallen. Ab dem Element Polonium (84 Protonen) ist diese gemischte Form des Zerfalls schließlich der Normalzustand bei Protonenüberschüssen. Solche Nuklide sind dementsprechend hellblau-hellgrün untermalt dargestellt.

ε/α-Zerfall

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Gemischter

Gemischte Protonenemitter und Elektronenfänger: Manche Nuklide mit Massenzahlen kleiner 200 und Protonenzahlen kleiner etwa 70, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis starke Protonenüberschüsse haben, neigen dazu, neben dem direkten Emittieren von Protonen auch durch Elektroneneinfang weiter zu zerfallen. Betreffende Nuklide liegen in ihrem NzP-Verhältnis quasi auf der Grenze zwischen beiden Zerfallsarten. Ihre Halbwertzeiten liegen dementsprechend zumeist deutlich über einer Millionstel aber unter einer Sekunde. Solche Nuklide sind hellbeige-hellblau untermalt dargestellt.

p/ε-Zerfall

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Gemischter

Gemischte Neutronemitter und Betastrahler: In Analogie zu den gemischten Protonenemittern und Elektroneneinfängern bei starken Protonenüberschuss können manche Nuklide mit Massenzahlen kleiner 200 und Protonenzahlen kleiner etwa 70, welche in ihrem Neutronen-zu-Protonen-Verhältnis starke Neutronenüberschüsse haben, dazu neigen, neben dem direkten Emittieren von Neutronen auch durch Betastrahlung weiter zu zerfallen. Betreffende Nuklide liegen in ihrem NzP-Verhältnis quasi auf der Grenze zwischen beiden Zerfallsarten. Ihre Halbwertzeiten liegen dementsprechend zumeist deutlich über einer Millionstel aber unter einer Sekunde. Solche Nuklide sind hellgrau-hellrot untermalt dargestellt.

n/β^--Zerfall

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Halbwertzeitangaben in den Isotopenfeldern

ys

Yoctosekunden

10^-24 s

zs

Zeptosekunden

10^-21 s

x ε+y

x*10^y

as

Attosekunden

10^-18 s

s

Sekunden

fs

Femtosekunden

10^-15 s

Mio.

Million

10⁶

m

Minuten

1 m = 60 s

ps

Pikosekunden

10^-12s

Mrd.

Milliarde

10⁹

h

Stunden

1 h = 60 m

ns

Nanosekunden

10^-9s

Bio.

Billion

10¹²

d

Tage

1 d = 24 h

µs

Mikrosekunden

10^-6 s

Brd.

Billiarde

10¹⁵

a

Jahre

1 a = 365,2511 d

ms

Millisekunden

10^-3 s

Trio.

Trillion

10¹⁸

s

Sekunden

1 s

Trd.

Trilliarde

10²¹

∞

stabiles Nuklid

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Neben den im Vorausgegangenen abgehandelten kombinierten Zerfallsmodi sind auch Nuklide bekannt, die unter drei oder gar vier verschiedenen Möglichkeiten weiter zerfallen können. Die Darstellungen entsprechen bei diesen Nukliden einer Farbuntermalung der entsprechenden Zerfallsarten. Sie hier im Einzelnen detailliert aufzuführen erübrigt sich, da sich die zugrunde liegende Logik mit der, von Nukliden mit zwei Zerfallsarten deckt.