Radioaktive Serien
Ein langer radioaktiver Stammbaum
Dieses Diagramm zeigt den Weg der Zerfallskette von Uran 238 auf einer Nukleuskarte. Die Alphazerfälle bewirken, dass die Anzahl der Protonen und Neutronen um 2 abnimmt, während der negative Betazerfall die Anzahl der Neutronen um 1 verringert und die Anzahl der Protonen um 1 erhöht. Die durch den Alphazerfall verursachte Instabilität wird durch den späteren Betazerfall korrigiert und führt zum stabilen Kern von Blei 206 mit seinen 82 Protonen und 124 Neutronen.
IN2P3Eine gewisse Anzahl natürlicher radioaktiver Kerne ist auf der Erde noch vorhanden, auch wenn ihre Halbwertszeit im Vergleich zum Alter unseres Planeten besonders kurz ist. Diese Radioisotope sind die Nachkommen von drei schweren Kernen mit sehr langen Halbwertszeiten: Uran 235 (mit einer Halbwertszeit von 0,7 Milliarden Jahren), Uran 238 (mit einer Lebensdauer von 4,47 Milliarden Jahren) und Thorium 232 (mit einer Halbwertszeit von 14,0 Milliarden Jahren).
Diese drei „Patriarchen“, um die Metapher der radioaktiven Familie zu erweitern, waren alle im Protostern vorhanden: der Wolke, die schließlich kondensierte und unsere Sonne, die Erde und die Planeten bildete. Jedes dieser drei Elemente ist der Vorfahre einer bestimmten Familie natürlicher radioaktiver Elemente, von denen das Uran 238 vielleicht das wichtigste ist.
Ein Uran 238-Kern zerfällt durch Alpha-Emission und bildet einen Tochterkern, Thorium 234. Dieses Thorium wandelt sich wiederum in Protactinium 234 um und zerfällt dann durch beta-negativen Zerfall zu Uran 234. Dieses letzte Isotop verwandelt sich langsam (mit einer Halbwertszeit von 245.000 Jahren) in Thorium 230, einen weiteren instabilen Kern.
Eine solche Zerfallskette wird nur durch die Bildung eines stabilen Kerns unterbrochen. Dies geschieht bei der vierzehnten Generation der Uran 238-Familie, wenn schließlich Blei 206 entsteht. Die beiden anderen Familien, die aus Uran 235 und Thorium 232 gebildet werden, enden mit der Bildung von Blei 207 bzw. Blei 208, zwei weiteren stabilen Isotopen des Bleis.
Vereinfachter radioaktiver Stammbaum des Urans 238. Die aufeinanderfolgenden Zerfälle mit drastisch unterschiedlichen Halbwertszeiten verändern die Grundstruktur des Kerns und damit des Atoms. Die Gesamtzahl der Nukleonen verringert sich um 4, wenn der Kern ein Alphateilchen aussendet, und ändert sich nicht, wenn eine negative Beta-Emission stattfindet.
IN2P3Die Halbwertszeiten sind alle extrem variabel, und es ist schwierig, eine Reihe von Zeitskalen darzustellen, die von einzelnen Sekunden bis zu Milliarden von Jahren reichen. In diesem Sinne ähnelt der Werdegang eines Kerns dem Fluss des Wassers über Berge und Ebenen: reißend an einer Stelle und träge an einer anderen.
Wie für die schwersten Kerne üblich, ist der Alphazerfall in allen drei Zerfallsketten besonders häufig. Da bei jeder Emission zwei Protonen und zwei Neutronen verloren gehen, nimmt das Verhältnis von Neutronen zu Protonen jedoch zu, je weiter man sich im Stammbaum nach unten bewegt. Daher ist der Betazerfall erforderlich, um das Gleichgewicht auszugleichen. Im Uran-238-Stammbaum zum Beispiel folgen auf den ersten Alphazerfall zwei aufeinanderfolgende Betazerfälle, die einen Thorium-234-Kern in Uran-234 umwandeln.
Beim Alphazerfall gehen vier Nukleonen verloren, während der Betazerfall keinen Einfluss auf die Anzahl der vorhandenen Nukleonen hat. Deshalb haben die Nachfolgekerne immer ein Vielfaches von vier Nukleonen weniger als ihre Vorfahren, wie man am Beispiel von Uran 238 sehen kann.
Weg eines Uran-238-Kerns als Nachkomme auf der Nuklidkarte, die das Stabilitätstal zeigt. Auf diesem Weg verringern die Alpha-Emissionen die Größe des Kerns, die Beta-Emissionen korrigieren den Neutronenüberschuss. Es dauert Milliarden von Jahren, bis ein Uran-238-Kern die Endstation, einen stabilen Blei-206-Kern, erreicht.
CEA-IRFUDie Mitglieder der Uran-238-Familie haben also 4n+2 Nukleonen, während die Uran-235-Familie 4n+3 und die Thorium-Familie 232 4n Nukleonen hat. Im Prinzip müsste die vierte (4n+1) Familie existieren, aber ihr Vorfahre, Neptunium 237, hat eine relativ „kurze“ Halbwertszeit von 2,14 Millionen Jahren. Daher hatte diese Familie seit der Nukleosynthese von Neptunium 237 in den Kernen der Sterne, die unserer Sonne vorausgingen, reichlich Zeit, um zu verschwinden.
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