Zerfallsreihen
Infoblatt Physik
Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge der Zerfallsprodukte des radioaktiven Zerfalls, die entsteht, wenn
ein radioaktives Nuklid seinerseits in ein anderes Nuklid zerfällt. Dieses Nuklid wird auch Tochter-
nuklid genannt, das dem Tochternuklid folgende Enkelnuklid, das dem Enkelnuklid folgende Urenkelnuklid usw. Die Zerfallsreihe gibt an, in welche Isotope das Ausgangsnuklid der Reihe nach zerfällt. Bei
den natürlichen Zerfallsarten gibt es zwei Möglichkeiten:
1.
Die Massenzahl des Nuklids bleibt unverändert. Dies ist bei Gamma-Strahlung der Fall
(elektromagnetische Strahlung), aber auch bei Beta-Strahlung (diese wandelt ein Neutron in ein
Proton und ein Elektron um, die Massenzahl bleibt gleich, Kernladungszahl wird um 1 erhöht),
2.
Die Massenzahl wird um vier vermindern, wie die Alpha-Strahlung.
Deshalb gibt es für schwere natürliche Radionuklide vier verschiedene Zerfallsreihen:
Es gibt drei vollständig vorhandene natürliche Zerfallsreihen:
! Uran-Radium-Reihe:
Ausgangsnuklid 238U,
Endnuklid 206Pb;
(4n+2-Reihe)
! Uran-Actinium-Reihe:
Ausgangsnuklid 235U,
Endnuklid 207Pb;
(4n+3-Reihe)
! Thorium-Reihe:
Ausgangsnuklid 232Th,
Endnuklid 208Pb;
(4n-Reihe)
! Neptunium-Reihe:
Ausgangsnuklid 237Np,
Endnuklid 205Tl;
(4n+1-Reihe)
Die 4. Zerfallsreihe, also die 4n+1-Reihe, kommt bis auf den letzten Schritt in der Natur nicht vor, da das
langlebige, namensgebende und am Anfang stehende 237Np dieser Reihe praktisch vollständig zerfallen ist,
und die meisten Zwischenprodukte kurze Halbwertszeiten haben. Nur das letzte Radionuklid dieser
Reihe 209Bi ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden und wurde deshalb sogar lange
für das Endnuklid der Reihe gehalten, bis 2003 entdeckt wurde, dass es ein Alphastrahler mit 19
Trillionen Jahren Halbwertszeit ist.
Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide,
die ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle Kerne 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.
So entstanden die Zerfallsreihen:
Bei der Entstehung der Welt haben sich die unterschiedlichsten Nukleonen zu Teilchen verbunden.
Aufgrund der hohen Energien, die nach dem
Urknall vorhanden waren, konnten dies auch
sehr schwere Teilchen sein, die in den folgenden
Milliarden von Jahren jedoch radioaktiv zerfallen
sind. Das größte stabile Element ist Blei-208 (82
Protonen, 126 Neutronen). Alle schwereren
Elemente zerfallen radioaktiv. Dabei gibt es
hauptsächlich folgende Zerfälle:s
! Alpha-Zerfall: Element ist zu schwer. Nach dem Alpha-Zerfall ist es um zwei Protonen und zwei
Neutronen leichter.
! Beta-Zerfall: Element hat zu viele Neutronen. Deshalb wird ein Neutron in ein Proton und ein
Elektron verwandelt. Hört sich verrückt an, geht aber, weil bestimmte physikalische Gesetze
eingehalten werden (Erhalt der Gesamtladung und der Masse)
Der Grund, dass ausgerechnet Heliumkerne und nicht etwa Lithiumkerne aus dem Atom geschleudert
werden kann man mit der Quantenphysik erklären. Dies ist ein Teil der Physik der sehr viel mit
Wahrscheinlichkeiten zu tun hat. Ein Heliumkern wird mit einer sehr viel höheren Wahrscheinlichkeit aus
einem Atomkern geschleudert als jeder andere Kern.
Aufgaben:
1.
Auf der vorherigen Seite siehst du die Uran-Radium-Reihe. Markiere diese in rot auf der unteren
Nuklidkarte.
2.
Markiere die Uran-Actinium-Reihe grün, die Neptunium-Reihe blau und die Thorium-Reihe gelb.
3.
Einige der Reihen können auch schon bei einem schwereren Element beginnen. Welche sind dies,
bei welchem Element beginnt die Reihe dann.
4.
Die Zerfallsreihe der Uran-Radium-Reihe beginnt mit
#$&
#$%
!#𝑈 → !"𝑇ℎ + 𝛼,
#$%
#$%
!"𝑇ℎ → !'𝑃𝑎 + 𝛽,
#$%
!'𝑃𝑎 → +𝛽
Notiere die weiteren Zerfallsgleichungen bis du bei Blei landest.
5.
In der Tabelle auf der nächsten Seite sind in der dritten Spalte sog. HWZ (=Halbwertszeiten)
angegeben. Informiere dich darüber. Schreibe einen kurzen Text von ¼ DIN A-4 Seite darüber.
Nuklidkarte