Zerfallsreihen von Radionukliden

Bei schweren Atomkernen kommt es häufig vor, dass der beim radioaktiven Zerfall entstehende Tochterkern erneut zerfällt, der dabei entstehende Kern wieder und so weiter, bis nach etlichen Zerfallsprozessen schließlich ein stabiler Atomkern als Endprodukt entsteht. Man spricht in diesem Fall von einer Zerfallsreihe.

Da sich bei einem Zerfall die Massenzahl entweder um 4 verringert (α-Zerfall) oder gleich bleibt, ergibt sich bei den Atomkernen derselben Zerfallsreihe beim Dividieren der Massenzahl durch 4 stets der gleiche Rest (0, 1, 2 oder 3). Dementsprechend gibt es vier Zerfallsreihen mit den Massenzahlen

A = 4n + r mit r = 0, 1, 2, 3.

Das r charakterisiert die Zerfallsreihe, und das n verringert sich bei jedem Alphazerfall in der Zerfallsreihe um 1.

Die 4n + 1-Reihe (Neptunium-Reihe) umfasst jedoch nur künstlich hergestellte Atomkerne.

Übersicht über die vier möglichen Zerfallsreihen

Thorium-Reihe Massenzahlen der Form 4n
Neptunium-Reihe Massenzahlen der Form 4n + 1
Uran-Radium-Reihe Massenzahlen der Form 4n + 2
Uran-Actinium-Reihe Massenzahlen der Form 4n + 3

Thorium-Reihe:

Das Mutternuklid ist 232Th (Thorium), das Endnuklid das stabile 208Pb (Blei). Eigentlich beginnt diese Reihe schon bei der Vorstufe 244Pu (Plutonium).

Es handelt sich um eine 4n-Reihe.

Neptunium-Reihe:

Das Mutternuklid ist hier 237Np (Neptunium) das Endnuklid 205Tl (Thallium).

Hierbei handelt es sich eigentlich um eine prähistorische Reihe, da das 237Np auf der Erde schon komplett zerfallen ist. Die Nuklide dieser Zerfallsreihe können jedoch künstlich erzeugt werden.

Es ist eine 4n+1-Reihe.

Uran-Radium-Reihe:

Das Mutternuklid ist 238U, das Endnuklid 206Pb.

Es handelt sich um eine 4n+2-Reihe.

Uran-Actinium-Reihe:

Das Mutternuklid ist 235U, das Endnuklid 207Pb.

Die Reihe kann aber auch bei der künstlichen Vorstufe von Uran, beim Nuklid 239Pu, (Plutonium) starten.

Es ist eine 4n+3-Reihe

Betrachtet man diese Zerfallsreihen, so taucht der α-Zerfall deutlich am häufigsten auf.

Umgang mit der Nuklidkarte

Eine Nuklidkarte enthält gegenüber dem Periodensystem alle möglichen Nuklide aller Elemente. Da es insgesamt 2400 Nuklide gibt, wäre eine gesamte Nuklidkarte riesig. In der Regel genügt ein kleiner Ausschnitt einer Nuklidkarte, um eine Zerfallsreihe darzustellen.

Eine Nukidkarte enthält zu jedem Nuklid Informationen über die möglichen Zerfallsarten sowie zur Halbwertszeit des Nuklides. Stabile und instabile Nuklide sowie mögliche Zerfallsarten werden mit unterschiedlichen Farben dargestellt, so dass man sofort erkennen kann, welche Zerfallsart vorliegt. Auf diese Weise lässt sich mit Hilfe einer Nuklidkarte die gesamte Zerfallsreihe eines radioaktiven Nuklids ermitteln.

Der folgende Ausschnitt der Nuklidkarte zeigt die komplette Thorium-Zerfallsreihe (s.o.) vom Mutternuklid 232Th bis hin zum stabilen Endnuklid 208Pb:

Darstellung der Thorium Zerfallsreihe

(zum Vergrößern Grafik anklicken)

Nuklidkarte Thorlium-Zerfallsreihe

Ausschnitt aus der Nuklidkarte mit den Nukliden der Thorium-Zerfallsreihe. Aus den Farben ergibt sich die Zerfallsart, die roten Pfeile zeigen die Kernumwandlungen an. Da es sich um eine 4n-Reihe (s.o.) handelt, sind die Massenzahlen aller Nuklide durch 4 teilbar.

In einer Zeile stehen jeweils Nuklide gleicher Kernladungszahl, die Nuklide einer Spalte besitzen die gleiche Anzahl von Neutronen.

In der Thorium-Zerfallsreihe treten ausschließlich α- und β--Zerfälle auf. In einigen Fällen gibt es jeweils eine bestimmte Wahrscheinlichkeit für einen α-Zerfall und einen β--Zerfall. In diesen Fällen sind die Nuklide entsprechend zweifarbig markiert. Beide möglichen Kernumwandlungen sind mit Pfeilen gekennzeichnet.

Ausschnitte von Nuklidkarten findest Du in vielen Physikbüchern.

Auf der Internetseite von Klett lässt sich ein Ausschnitt einer Nuklidkarte im PDF-Format herunterladen.