Der Aufbau und die Bedeutung einer Nuklidkarte

Aus dem Chemieunterricht wissen wir, dass Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Diese Kernteilchen (sogenannte Nukleonen) werden durch die Kernkräfte zusammengehalten. Ein (Atom)kern (auch als Nuklid bezeichnet) wird durch die Zahl seiner Nukleonen A charakterisiert, wobei sich diese Zahl aus der Summe der Protonen Z und der Neutronen N ergibt (A = Z + N).

Darüber hinaus ist die Anzahl der Nuklide größer als die Zahl der Elemente des Periodensystems. So gibt es Atomkerne, die die gleiche Protonenzahl besitzen, aber unterschiedliche Neutronenzahlen aufweisen. Diese Atome werden als Isotope eines Elementes bezeichnet (das Element mit der entsprechenden Protonenzahl Z im Periodensystem).

Wie wir in den vorherigen Kapiteln bereits gesehen haben, sind die physikalischen Eigenschaften eines Atomkerns (die Aussendung radioaktiver Strahlung) von der Protonenzahl Z und der Neutronenzahl N abhängig. Um diesen Zusammenhang einfach (v.a. für den Schulunterricht) zu zeigen, hat man die sogenannte Nuklidkarte “entwickelt”.

Bei einer Nuklidkarte handelt es sich um ein einfaches Diagramm in einem x,y-Koordinatensystem. Dabei werden auf der x-Achse die Neutronenzahl und auf der y-Achse die Protonenzahl eines Nuklids eingezeichnet.

(schemenhafte Darstellung einer Nuklidkarte)

In der Regel werden in einer Nuklidkarte die einzelnen Isotope noch farbig markiert, so werden stabile Nuklide mit einer anderen Farbe eingezeichnet, als instabile Nuklide.

Aus einer Nuklidkarte kann man folgende wichtige Informationen entnehmen:

• Stabile Atomkerne (Nuklide) existieren (in der Natur) nur bis zu einer Protonenzahl von 92 (= Uran). Bei allen nachfolgenden Nukliden handelt es sich um instabile Atomkerne. Dies liegt daran, dass bei einer hohen Zahl an (positiv geladenen) Protonen im Atomkern die Abstoßungskräfte zwischen den Protonen zu groß wäre (Abstoßung gleich geladener Teilchen). Der Atomkern zerfällt in diesem Fall

• Für kleinere Atomkerne gilt, dass stabile Kerne eine Anordnung von Protonenzahl = Neutronenzahl bevorzugen. Für “schwere” Atomkerne gilt, dass die Neutronenzahl größer ist, als die Protonenzahl. Dies entspricht auch der Vorstellung über die Kernkräfte in Atomkernen

• Bei knapp 120 bekannten Elementen (des Periodensystems) kennt man bereits knapp 3.000 Isotope, die als Nuklide in der Nuklidkarte eingezeichnet sind.

• Bewegt man sich in dem Diagramm bzw. dem Graphen auf einer vertikalen Linie (= gleiche Protonenzahl), so liegen hier die unterschiedlichen Isotope eines Elements vor. Somit kann aus der Nuklidkarte abgelesen werden, ob es sich um ein stabiles oder instabiles Isotop eines Elements handelt.

Des Weiteren gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten von Nuklidkarten:

• Markiert man beispielsweise die einzelnen Nuklide in der Nuklidkarte (mit Hilfe von Farben) nach ihrem Zerfall, so fällt auf, dass v.a. Alpha-Zerfälle bei Nukliden mit hoher Protonenzahl auftreten

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Der Aufbau und die Bedeutung einer Nuklidkarte – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist eine Nuklidkarte?

Die Nuklidkarte ist ein Diagramm, das die Isotope aller chemischen Elemente bezüglich ihrer Protonen- und Neutronenzahl abbildet und anzeigt.

2. Welche Achsen findet man auf einer Nuklidkarte und wie sind diese definiert?

Auf einer Nuklidkarte sind die X-Achse und die Y-Achse als Neutronenanzahl (N) und Protonenanzahl (Z) definiert.

3. Wie wird die Stabilität eines Isotops auf der Nuklidkarte dargestellt?

Die Stabilität eines Isotops auf der Nuklidkarte wird durch seine Position in Bezug auf die sogenannte Stabilitätslinie dargestellt. Isotope auf oder nahe dieser Linie sind stabil, während Isotope abseits dieser Linie instabil und radioaktiv sind.

4. Was repräsentiert ein Punkt auf der Nuklidkarte?

Ein Punkt auf der Nuklidkarte repräsentiert ein bestimmtes Isotop eines Elements, definiert durch seine Anzahl von Protonen und Neutronen.

5. Was bedeutet es, wenn ein Nuklid auf der Karte farblich hervorgehoben ist?

Wenn ein Nuklid farblich hervorgehoben ist, bedeutet dies, dass es sich um ein radioaktives Isotop handelt, also ein Isotop, das sich durch Kernstrahlung in ein anderes Nuklid umwandelt.

6. Was versteht man unter der “Tal der Stabilität” in der Nuklidkarte?

Das “Tal der Stabilität” bezeichnet den Bereich auf der Nuklidkarte, in dem die stabilsten Nuklide zu finden sind, d.h. Nuklide, die nicht radioaktiv sind.

7. Warum werden auf der Nuklidkarte keine chemischen Eigenschaften angegeben?

Auf der Nuklidkarte werden keine chemischen Eigenschaften angegeben, da sie in erster Linie die kernphysikalischen Eigenschaften der Nuklide darstellt, insbesondere die Anzahl der Protonen und Neutronen, die zur Definition eines bestimmten Isotops verwendet werden.

8. Welche Art von Informationen kann man aus einer Nuklidkarte ablesen?

Aus einer Nuklidkarte kann man Informationen über die Anzahl der Protonen und Neutronen in jedem Nuklid, die Stabilität der Nuklide und die Art der Radioaktivität ablesen, der jedes Nuklid unterliegt.

9. Wie hilft eine Nuklidkarte beim Verständnis von Kernreaktionen?

Die Nuklidkarte hilft beim Verständnis von Kernreaktionen, indem sie zeigt, was passiert, wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen in einem Kern verändert wird, was typischerweise in Kernreaktionen der Fall ist.

10. Wie sind die Einheiten auf der X- und Y-Achse einer Nuklidkarte definiert?

Die Einheiten auf der X- und Y-Achse einer Nuklidkarte sind in der Regel als Zahlen ohne explizite Einheit dargestellt, die die Anzahl von Protonen und Neutronen anzeigen.