Clusterzerfall

Der Clusterzerfall (auch Clusteremission, englisch cluster decay) i​st ein s​ehr selten auftretender radioaktiver Zerfallstyp. Dabei w​ird ein leichter Atomkern emittiert, d​er schwerer a​ls ein Alpha-Teilchen, a​ber mit 6 b​is 14 Prozent d​er Masse d​es Mutterkerns wesentlich leichter a​ls die typischen Spaltfragmente d​er Kernspaltung ist. Außerdem werden k​eine Neutronen freigesetzt.

Als emittierte Cluster beobachtet wurden bisher Kerne zwischen Kohlenstoff-14 u​nd Silicium-34. Es handelt s​ich überwiegend n​icht um d​ie jeweils stabilsten Kerne z​u ihrer Ordnungszahl, sondern u​m deren Isotope m​it höherem Neutronenüberschuss, entsprechend d​em Neutronenüberschuss d​es Mutterkerns.

Geschichte

Der Clusterzerfall w​urde von Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru u​nd Walter Greiner 1980 theoretisch vorhergesagt.[1] H. J. Rose u​nd George Arnold Jones erbrachten 1983 a​n der University o​f Oxford d​en ersten experimentellen Nachweis, d​er Anfang 1984 i​n der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.[2] Sie stellten fest, d​ass das Radiumisotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler m​it einer Halbwertszeit v​on 11,43 Tagen) u​nter Emission e​ines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt z​u Blei-209 zerfallen kann:

${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 88}^{223}Ra\to {}_{\ 82}^{209}Pb+{}_{\ 6}^{14}C} }$

Art und Auftreten

Der Clusterzerfall w​urde bisher n​ur bei einigen alphastrahlenden Radionukliden m​it Ordnungszahlen a​b 87 (Francium) beobachtet. Aufgrund dieses Auftretens v​on Cluster- u​nd Alpha-Zerfall b​eim gleichen Nuklid spricht m​an bei d​en betroffenen Nukliden v​on einem dualen Kernzerfall. Der Clusterzerfall k​ann kernphysikalisch a​ls stark asymmetrische Kernspaltung verstanden werden.[3]

Der Name „Cluster“ (engl. cluster, e​twa „Klumpen“) w​urde gewählt, w​eil das emittierte Teilchen e​ine „Anhäufung“ v​on mehr a​ls je z​wei Protonen u​nd Neutronen ist.

Die Wahrscheinlichkeit für einen Clusterzerfall ist im Vergleich zum Alpha-Zerfall um den Faktor 10⁹ bis 10¹⁶ geringer.[4] Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 14. Die bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24 und Magnesium-28. Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 und 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.

stattfindender Cluster-Zerfall	Magische Zahl(en)	E (MeV)	${\displaystyle \lg {\frac {\mathrm {T} _{1/2}}{\mathrm {s} ec}}}$
^221Fr → ^207Tl + ^14C	N=126; N=8	31,292	14,52
^221Ra → ^207Pb + ^14C	Z=82; N=8	32,395	13,39
^222Ra → ^208Pb + ^14C	Z=82, N=126; N=8	33,049	11,01
^223Ra → ^209Pb + ^14C	Z=82; N=8	31,828	15,20
^224Ra → ^210Pb + ^14C	Z=82; N=8	30,535	15,68
^226Ra → ^212Pb + ^14C	Z=82; N=8	28,196	21,19
^223Ac → ^209Bi + ^14C	N=126; N=8	33,064	12,60
^223Ac → ^208Pb + ^15N	Z=82, N=126; N=8	39,473	> 14,76
^225Ac → ^211Bi + ^14C	N=8	30,476	17,16
^226Th → ^208Pb + ^18O	Z=82, N=126; Z=8	45,726	> 15,30
^228Th → ^208Pb + ^20O	Z=82, N=126; Z=8	44,722	20,72
^230Th → ^206Hg + ^24Ne	N=126	57,761	24,61
^232Th → ^208Hg + ^24Ne	-	54,509	> 29,20
^232Th → ^206Hg + ^26Ne	N=126	55,964	> 29,20
^231Pa → ^208Pb + ^23F	Z=82, N=126	51,843	26,02
^231Pa → ^207Tl + ^24Ne	N=126	60,410	23,23
^230U  → ^208Pb + ^22Ne	Z=82, N=126	61,387	19,57
^232U  → ^208Pb + ^24Ne	Z=82, N=126	62,309	21,08
^232U  → ^204Hg + ^28Mg	-	74,318	> 22,26
^233U  → ^209Pb + ^24Ne	Z=82	60,485	24,83
^233U  → ^208Pb + ^25Ne	Z=82, N=126	60,776	24,84
^233U  → ^205Hg + ^28Mg	-	74,225	> 27,59
^234U  → ^210Pb + ^24Ne	Z=82	58,825	25,92
^234U  → ^208Pb + ^26Ne	Z=82, N=126	59,464	25,92
^234U  → ^206Hg + ^28Mg	N=126	74,110	27,54
^235U  → ^211Pb + ^24Ne	Z=82	57,362	27,42
^235U  → ^210Pb + ^25Ne	Z=82	57,756	27,42
^235U  → ^207Hg + ^28Mg	-	72,158	> 28,10
^235U  → ^206Hg + ^29Mg	N=126	72,485	> 28,09
^236U  → ^212Pb + ^24Ne	Z=82	55,944	> 25,90
^236U  → ^210Pb + ^26Ne	Z=82	56,744	> 25,90
^236U  → ^208Hg + ^28Mg	-	70,564	27,58
^236U  → ^206Hg + ^30Mg	N=126	72,303	27,58
^237Np → ^207Tl + ^30Mg	N=126	74,818	> 26,93
^236Pu → ^208Pb + ^28Mg	Z=82, N=126	79,669	21,67
^238Pu → ^210Pb + ^28Mg	Z=82	75,911	25,70
^238Pu → ^208Pb + ^30Mg	Z=82, N=126	76,823	25,70
^238Pu → ^206Hg + ^32Si	N=126	76,823	25,70
^240Pu → ^206Hg + ^34Si	N=126; N=20	91,191	25,27
^241Am → ^207Tl + ^34Si	N=126; N=20	93,927	> 24,41
^242Cm → ^208Pb + ^34Si	Z=82, N=126; N=20	96,510	23,15

In d​er Karlsruher Nuklidkarte v​on 2018 s​ind 20 Radionuklide aufgeführt, d​ie neben d​em dominierenden Alphazerfall a​uch Clusteremission aufweisen:[5]

• Francium-221,
• Radium-221 bis 224 und 226,
• Actinium-223 und 225,
• Thorium-228 und 230,
• Protactinium-231,
• Uran-230 und 232 bis 236,
• Plutonium-236 und 238 und
• Curium-242.

Bei einigen Radionukliden s​ind bis z​u vier Möglichkeiten d​es Clusterzerfalls beobachtet worden, beispielsweise d​rei bei d​em in d​er Natur vorkommenden Uranisotop Uran-234: d​ie Emission e​ines Neon-24-, e​ines Neon-26- o​der eines Magnesium-28-Kerns.

Reaktion	Verzweigungs- verhältnis (%)	E (MeV)	Cluster	Geschw. (km/s)	Tochter­kern	Geschw. (km/s)
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{210}Pb+{}_{10}^{24}Ne} }$	0,9·10^−9	60,485	Neon-24	020.866	Blei-210	002.390
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{208}Pb+{}_{10}^{26}Ne} }$	0,9·10^−9	60,776	Neon-26	020.024	Blei-208	002.503
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 80}^{206}Hg+{}_{12}^{28}Mg} }$	1,4·10^−9	74,225	Magne­sium-28	021.222	Queck­silber-206	002.884
Zum Vergleich: Alpha-Zerfall
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 90}^{230}Th+\alpha } }$	≈100	04,859	Helium-4	016.567	Thorium-230	000.264

Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle

Die rechts stehende Tabelle g​ibt eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle[6][7] m​it folgenden Angaben:

• der  stattfindende Cluster-Zerfall  mit beteiligten Kernen: Mutterkern → Tochterkern + Cluster ,

• als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende  Magische Zahl(en) ,

• die auf Grund des Massendefekts freiwerdende Energie  E  in MeV: ${\displaystyle \ \ \ E=(m_{\text{Mutterkern}}-m_{\text{Tochterkern}}-m_{\text{Cluster}})\cdot c^{2}}$ ,

• dekadischer Logarithmus der fiktiven partiellen Halbwertszeit in Sekunden:  ${\displaystyle \lg \mathrm {T} _{1/2}\,/\,{\mathrm {s} ec}}$ .

Entstehende Clusterkerne:[8][9]

Ele­ment	Neutronenzahl
	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146
87Fr		^14C
88Ra	^14C	^14C	^14C	^14C		^14C
89Ac		^14C ^15N		^14C
90Th				^18O		^20O		^24Ne		^24Ne ^26Ne
91Pa								^23F ^24Ne
92U						^22Ne		^24Ne ^28Mg	^24Ne ^25Ne ^28Mg	^24Ne ^26Ne ^28Mg	^24Ne ^25Ne ^28Mg ^29Mg	^24Ne ^26Ne ^28Mg ^30Mg
93Np												^30Mg
94Pu										^28Mg		^28Mg ^30Mg ^32Si		^34Si
95Am														^34Si
96Cm														^34Si

Entstehende Tochterkerne (meist Blei, Quecksilber, selten Thallium, Bismut)

Ele­ment	Neutronenzahl
	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146
87Fr		^207Tl
88Ra	^207Pb	^208Pb	^209Pb	^210Pb		^212Pb
89Ac		^209Bi ^208Pb		^211Pb
90Th				^208Pb		^208Pb		^206Hg		^208Hg ^206Hg
91Pa								^208Pb ^207Tl
92U						^208Pb		^208Pb ^204Hg	^209Pb ^208Pb ^205Hg	^210Pb ^208Pb ^206Hg	^211Pb ^210Pb ^207Hg ^206Hg	^212Pb ^210Pb ^208Hg ^206Hg
93Np												^207Tl
94Pu										^208Pb		^210Pb ^208Pb ^206Hg		^206Hg
95Am														^207Tl
96Cm														^208Pb

Literatur

• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 1 (= Lecture Notes in Physics. Band 818). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-13898-0.
• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 2 (= Lecture Notes in Physics. Band 848). Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24706-4.
• Doru S. Delion: Theory of Particle and Cluster Emission. (= Lecture Notes in Physics. Band 819). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-14405-9.

Einzelnachweise

1. Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and a decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334.
2. H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247 doi:10.1038/307245a0.
3. K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236.
4. K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.
5. J. Magill, R. Dreher, Zs. Sóti: Karlsruher Nuklidkarte. 10. Auflage. Nucleonica GmbH, Karlsruhe 2018, ISBN 978-3-943868-51-7 (Wandkarte) bzw. ISBN 978-3-943868-54-8 (Faltkarte), ISBN 978-3-943868-50-0 (Begleitbroschüre).
6. K. P. Santhosh, B. Priyanka, M. S. Unnikrishnan: Cluster decay half lives of trans-lead nuclei within the Coulomb and proximity potential model. In: Nuclear Physics A. Band 889, 2012, S. 29–50, doi:10.1016/j.nuclphysa.2012.07.002, arxiv:1207.4384.
7. Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry. Vol. 1: Basics of Nuclear Science. 2. Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-1-4419-0719-6, S. 840–841.
8. D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Systematics of cluster decay modes. In: Physical Review C. Band 65, Nummer 4, 2002, S. 054308, doi:10.1103/PhysRevC.65.054308.
9. D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Erratum: Systematics of cluster decay modes, [Phys. Rev. C 65, 2002, S. 054308]. In: Physical Review C. Band 66, Nummer 4, 2002, S. 049902(E), doi:10.1103/PhysRevC.66.049902.

Weblinks

• Literaturübersicht
• D. N. Poenaru, W. Greiner: Cluster radioactivity – past, present and future. Workshop on State of the Art in Nuclear Cluster Physics, May 13–16, 2008, Strasbourg (theory.nipne.ro PDF, 52 Seiten).