Zerfallsreihe

Eine Zerfallsreihe im allgemeinen Sinn ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie bildet sich, indem ein Radionuklid sich in ein anderes, dieses in ein drittes umwandelt usw. („zerfällt“). Das zuerst entstehende Nuklid wird Tochternuklid genannt, das dem Tochternuklid folgende Enkelnuklid, das dem Enkelnuklid folgende Urenkelnuklid usw.

Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide, die ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle Atomkerne die Reihe bis zum Endnuklid durchlaufen haben. In dem Gemisch sind Nuklide mit kurzer Halbwertszeit nur in geringer Menge vorhanden, während solche mit längerer Halbwertszeit sich entsprechend stärker ansammeln.

Die drei natürlichen Zerfallsreihen

Praktisch und historisch wichtig sind die Zerfallsreihen der drei primordialen Radionuklide Uran-238, Uran-235 und Thorium-232, auch Natürlich radioaktive Familien genannt.[1] Sie entstehen durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmäßig abwechselnd aufeinander folgen. Manche der beteiligten Nuklide haben auch die alternativ mögliche, aber seltene Zerfallsart Spontanspaltung; sie führt aus der jeweiligen Zerfallsreihe hinaus und wird hier nicht beachtet.

Ein Alphazerfall verringert die Massenzahl des Atomkerns um 4 Einheiten, ein Betazerfall lässt sie unverändert. Schreibt man die Massenzahl A als A = 4n+m (dabei ist n irgendeine natürliche Zahl und m eine der Zahlen 0, 1, 2 oder 3), bleibt deshalb m innerhalb einer solchen Zerfallsreihe stets konstant. Die drei genannten Anfangsnuklide haben verschiedene Werte von m. Daher erzeugt

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

Thorium-232 ist zwar primordial, aber nach heutiger Kenntnis sind auch seine Vorgängernuklide bis zum Plutonium-244 auf der Erde vorhanden.[2]

Eine vierte Zerfallsreihe

In der obigen (4n+m)-Systematik „fehlt“ eine Reihe mit m = 1. Da es im Massenzahlbereich von Uran und Thorium kein primordiales Nuklid mit A = 4n+1 gibt, kommt eine solche Zerfallsreihe in der Natur nicht (mehr) vor. Der Systematik zuliebe wird aber die Zerfallsreihe der künstlich erzeugbaren Nuklide Plutonium-241 oder Neptunium-237, die Neptunium-Reihe, als diese fehlende vierte Reihe betrachtet.[3] Nur das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden. Es wurde lange für das Endnuklid gehalten, bis 2003 entdeckt wurde, dass es ein Alphastrahler mit 19 Trillionen Jahren Halbwertszeit ist. Das Endnuklid ist daher Thallium-205.

Lage in der Nuklidkarte

Neutronenzahl	N =	124	125	126	127	128	129	130	131	132	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146	147	148	149	150
Curium	Z = 96																							^242Cm		^244Cm		^246Cm
Americium	Z = 95																						^240Am	^241Am	^242Am	^243Am	^244Am
Plutonium	Z = 94																			^236Pu	^237Pu	^238Pu	^239Pu	^240Pu	^241Pu	^242Pu	^243Pu	^244Pu
Neptunium	Z = 93																	^233Np	^234Np	^235Np	^236Np	^237Np	^238Np	^239Np	^240Np
Uran	Z = 92															^230U	^231U	^232U	^233U	^234U	^235U	^236U	^237U	^238U	^239U	^240U
Protactinium	Z = 91															^229Pa	^230Pa	^231Pa	^232Pa	^233Pa	^234Pa
Thorium	Z = 90													^226Th	^227Th	^228Th	^229Th	^230Th	^231Th	^232Th	^233Th	^234Th
Actinium	Z = 89													^225Ac	^226Ac	^227Ac	^228Ac
Radium	Z = 88										^221Ra	^222Ra	^223Ra	^224Ra	^225Ra	^226Ra	^227Ra	^228Ra
Francium	Z = 87											^221Fr	^222Fr	^223Fr
Radon	Z = 86								^217Rn	^218Rn	^219Rn	^220Rn		^222Rn
Astat	Z = 85							^215At		^217At	^218At	^219At
Polonium	Z = 84			^210Po	^211Po	^212Po	^213Po	^214Po	^215Po	^216Po		^218Po
Bismut	Z = 83			^209Bi	^210Bi	^211Bi	^212Bi	^213Bi	^214Bi	^215Bi
Blei	Z = 82	^206Pb	^207Pb	^208Pb	^209Pb	^210Pb	^211Pb	^212Pb		^214Pb
Thallium	Z = 81	^205Tl	^206Tl	^207Tl	^208Tl	^209Tl	^210Tl
Quecksilber	Z = 80			^206Hg
Neutronenzahl	N =	124	125	126	127	128	129	130	131	132	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146	147	148	149	150
Legende:		Uran-Radium-Reihe					Uran-Actinium-Reihe					(Plutonium-) Thorium-Reihe					(Plutonium-)Neptunium-Reihe					(Pfeile nicht maßstäblich)
		Fortsetzung					Fortsetzung					Fortsetzung					Fortsetzung

Historische Bezeichnungen

In der klassischen Zeit der Erforschung der radioaktiven Zerfallsreihen – also im frühen 20. Jahrhundert – wurden die verschiedenen Nuklide mit anderen Namen bezeichnet, an denen sich die Zugehörigkeit zu einer natürlichen Zerfallsreihe und die Ähnlichkeit in den Eigenschaften erkennen ließ (z. B. sind Radon, Thoron und Actinon allesamt Edelgase):[4]

Aktueller Name	Historischer Name	Langversion des Namens
^238U	UI	Uran I
^235U	AcU	Actinuran
^234U	UII	Uran II
^234mPa	UX2	Uran X2
^234Pa	UZ	Uran Z
^231Pa	Pa	Protactinium
^234Th	UX1	Uran X1
^232Th	Th	Thorium
^231Th	UY	Uran Y
^230Th	Io	Ionium
^228Th	RdTh	Radiothor
^227Th	RdAc	Radioactinium
^228Ac	MsTh2	Mesothor 2
^227Ac	Ac	Actinium
^228Ra	MsTh1	Mesothor 1
^226Ra	Ra	Radium
^224Ra	ThX	Thorium X
^223Ra	AcX	Actinium X
^223Fr	AcK	Actinium K
^222Rn	Rn	Radon
^220Rn	Tn	Thoron
^219Rn	An	Actinon
^218Po	RaA	Radium A
^216Po	ThA	Thorium A
^215Po	AcA	Actinium A
^214Po	RaC'	Radium C'
^212Po	ThC'	Thorium C'
^211Po	AcC'	Actinium C'
^210Po	RaF	Radium F
^214Bi	RaC	Radium C
^212Bi	ThC	Thorium C
^211Bi	AcC	Actinium C
^210Bi	RaE	Radium E
^214Pb	RaB	Radium B
^212Pb	ThB	Thorium B
^211Pb	AcB	Actinium B
^210Pb	RaD	Radium D
^208Pb	ThD	Thorium D
^207Pb	AcD	Actinium D
^206Pb	RaG	Radium G
^210Tl	RaC"	Radium C"
^208Tl	ThC"	Thorium C"
^207Tl	AcC"	Actinium C"

Die drei natürlichen Zerfallsreihen sähen in dieser alten Bezeichnungsweise folgendermaßen aus:

• Uran-Radium-Reihe: U_I → UX₁ → UX₂ (→ 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 → MsTh₁ → MsTh₂ → RdTh → ThX → Tn → ThA → ThB → ThC → ThC' (oder ThC") → ThD

Berechnung der Konzentration von Nukliden einer Zerfallsreihe

Nuklide zerfallen nach einer Kinetik erster Ordnung (vgl. Zerfallsgesetz), so dass die zeitabhängige Konzentration eines einzelnen Nuklids recht einfach zu berechnen ist. Die Fragestellung wird deutlich komplizierter, wenn das Nuklid als Glied einer Zerfallsreihe aus Vorläufernukliden laufend nachgebildet wird. Ein kurzer und übersichtlicher Weg zur Berechnung seiner Konzentration unter dieser Voraussetzung findet sich bei Jens Christoffers (1986);[5] der Autor gibt auch einen Algorithmus zur Programmierung der Berechnung an.

Siehe auch

• Fajans-soddysche Verschiebungssätze

Einzelnachweise

1. Karlsruher Nuklidkarte. Nachdruck der 6. Auflage. Karlsruhe 1998
2. D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature 234, 1971, S. 132–134, doi:10.1038/234132a0
3. E. B. Paul: Nuclear and Particle Physics. North-Holland, 1969, S. 41
4. C. M. Lederer, J. M. Hollander, I. Perlman: Table of Isotopes. 6. Auflage. Wiley & Sons, New York 1968
5. https://www.uni-oldenburg.de/fileadmin/user_upload/chemie/ag/occhris/download/pdf1.pdf