Zerfallsreihen in der Atomphysik

Das Verständnis über den Atomaufbau ist für die meisten MINT-Fächer von großer Bedeutung. Dies liegt daran, dass ein Atom der kleinste Baustein eines chemischen Stoffes oder Elements ist, der ohne Verlust seiner charakteristischen Eigenschaften nicht mehr geteilt werden kann. Atome können nur noch durch “physikalische Verfahren” geteilt werden. Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, besteht der Atomkern aus Protonen und Neutronen. Aufgrund der gleichen Ladung der Protonen herrschen zwischen den Protonen im Kern elektrostatisch abstoßende Kräfte. Diese werden jedoch durch noch stärkere Wechselwirkungen mit Neutronen kompensiert (Kernkräfte). Ein stabiler Kern verfügt deshalb stets über ein bestimmtes Zahlenverhältnis von Protonen zu Neutronen. Stimmt dieses Zahlenverhältnis nicht, so wird der Kern instabil und das betreffende Atom zerfällt nach einer gewissen Zeit, was als Phänomen der Radioaktivität beobachtet wird. Wegen der vielen positiven Ladungen sind Atome, die mehr als 83 Protonen besitzen, immer radioaktiv.

Der Kernzerfall

Wie bereits erwähnt, sind Atomkerne mit mehr als 83 Protonen instabil und unterliegen daher dem sog. radioaktiven Zerfall. Dabei wandeln sich zum einen die instabilen Atomkerne in stabile Atomkern um unter Aussendung

  • eines Helium-Kerns (Alpha-Strahlung)
  • eines Elektrons (Beta-Strahlung) wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt werden und ein anderes Element gleicher Masse entsteht.
  • hochenergetischer elektromagnetische Wellen (Gamma-Strahlung)

Die Zerfallsreihe

Die Zerfallsreihe (oder manchmal auch Zerfallskette bezeichnet) gibt die Abfolge der Zerfallsprodukte bei einem radioaktiven Zerfall.(z.B. Uran) an, d.h. in welche Nuklide das (radioaktive) Ausgangsnuklid der Reihe nach und nach zerfällt, man kann also die Produkte bestimmen, die bei dem Zerfall eines radioaktiven Stoffes entstehen. Wenn ein radioaktives Nuklid zerfällt, ist das entstehende Tochternuklid in der Regel ebenfalls radioaktiv und zerfällt weiter. Am Ende jeder dieser Zerfallsreihen steht ein stabiles Bleiisotop.
Die bekannten Radionuklide, von denen die Zerfallsreihe ausgeht, werden je nachdem, ob sie in der Natur vorhanden sind oder künstlich erzeugt wurden in natürliche und künstliche Radionuklide eingeteilt. Prinzipiell gibt es vier natürliche Zerfallsreihen, wobei eine davon (die Neptunium-Zerfallsreihe) nicht mehr zugezählt wird, da das Ausgangsnuklid (Neptunium) aufgrund der kurzen Halbwertszeiten der Nuklide nicht mehr existiert.

  • Uran-Radium-Zerfallsreihe (Ausgangsnuklid U-238, Endnuklid Pb-206), enthält 19 Glieder in der Zerfallsreihe
  • Uran-Aktinium-Zerfallsreihe (Ausgangsnuklid U-235, Endnuklid Pb-207), enthält 19 Glieder in der Zerfallsreihe
  • Thorium-Zerfallsreihe (Ausgangsnuklid Th-232, Endnuklid Pb-208), enthält 12 Glieder in der Zerfallsreihe
  • Neptunium-Zerfallsreihe (Ausgangsnuklid Np-237, Endnuklid Tl-205), enthält 15 Glieder in der Zerfallsreihe

Die Bestimmung der Glieder der Zerfallsreihe

Die Zerfallsreihe gibt es auch als (Bilder-)karte, leicht zu finden in der Suchmaschine Google. Die einzelnen Glieder der Zerfallsreihe lassen sich aber auch so einfach bestimmen, da ein radioaktives Nuklid in das entstehende Tochternuklid zerfällt, dass i. d. R. ebenfalls radioaktiv ist und zerfällt so weiter. Dieser Zerfallsprozess von Alpha- und Beta-Zerfällen setzt sich solange fort, bis ein stabiles Nuklid (meist ein Bleiisotop) erreicht ist. Bei einem Alpha-Zerfall “verliert” das Atom zwei Protonen und zwei Neutronen, somit einsteht ein Isotop, dass 2 Protonen (= Ordnungszahl, damit kann das Element bestimmt werden) weniger hat und die Massenzahl um 4 erniedrigt wird (damit wird der Isotop des zugehörigen Elementes bestimmt). Bei Beta-Zerfall verwandelt sich ein Neutron in ein Proton, d.h  das neue gebildete Nuklid hat die gleiche Massenzahl (Proton und Neutron sind gleich schwer) aber die Ordnungszahl steigt um 1 (somit kann wieder das entstandene Element bestimmt werden).

Beispiel:
Die Uran-Aktinium-Zerfallsreihe, Ausgangsnuklid ist U-235 (Alphastrahler), somit ist das neu entstehende Nuklid Th-231 (Massenzahl um 4 erniedrigt), das Nuklid Th-231 ist wiederum ein Betastrahler und wandelt sich in Pa-231 um, dass ein Alphastrahler ist. Dies kann man so weiter führen, bis man Pb-207 erreicht hat.

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Zerfallsreihen in der Atomphysik – Testfragen/-aufgaben

1. Was sind Zerfallsreihen in der Atomphysik?

Eine Zerfallsreihe ist eine Folge von radioaktiven Zerfällen, die ein instabiles Atom durchläuft, bis ein stabiler Zustand erreicht ist.

2. Worin unterscheiden sich α-, β- und γ-Zerfälle?

Der α-Zerfall führt zum Verlust von 2 Protonen und 2 Neutronen, beim β-Zerfall wird ein Neutron zu einem Proton umgewandelt und beim γ-Zerfall werden lediglich energiereiche Photonen abgegeben ohne Veränderung der Zusammensetzung des Kerns.

3. Was ist beim radioaktiven Zerfall das “Tochterprodukt”?

Das Tochterprodukt ist das Atom, das durch den radioaktiven Zerfall aus dem ursprünglichen “Mutteratom” entsteht.

4. Was sagt die Halbwertszeit bei radioaktiven Zerfällen aus?

Die Halbwertszeit gibt an, nach welcher Zeit die Hälfte der betrachteten radioaktiven Atome zerfallen ist.

5. Welche bekannten Zerfallsreihen gibt es?

Man unterscheidet die vier natürlichen Zerfallsreihen des Thoriums, Urans, aktinium und Neptunium, sowie das künstliche Plutonium.

6. Warum ist die Situation am Ende einer Zerfallsreihe stabil?

Am Ende einer Zerfallsreihe steht ein stabiles Nuklid, das nicht mehr radioaktiv zerfällt.

7. Was ist eine Zerfallsreihe im Kontext von künstlichen Transuranen?

Bei künstlichen Transuranen bezeichnet die Zerfallsreihe die Kette von Zerfällen, die diese instabilen Elemente durchlaufen, bis sie einen stabilen Zustand erreichen.

8. Wie kann man die Halbwertszeit eines Atoms berechnen?

Die Halbwertszeit T berechnet man mit der Formel T = ln(2) / Zerfallsrate λ.

9. In welche Teilchen zerfallen Atome bei einem α-Zerfall?

Ein Atom spaltet beim α-Zerfall einen Heliumkern ab, der aus 2 Protonen und 2 Neutronen besteht.

10. Was passiert bei einem β-Zerfall mit den Neutronen im Atomkern?

Beim β-Zerfall wird ein Neutron im Atomkern in ein Proton, ein Elektron und ein antineutrino umgewandelt.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 03. Mai 2024