Clusterzerfall

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Der Clusterzerfall (auch Clusteremission, englisch cluster decay) ist ein nur sehr selten auftretender radioaktiver Zerfall, bei dem ein Teilchen schwerer als das Alpha-Teilchen emittiert wird.

Geschichte[Bearbeiten]

Der Clusterzerfall wurde von Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner 1980 theoretisch vorhergesagt.[1] H. J. Rose und G. A. Jones erbrachten 1983 an der University of Oxford den ersten experimentellen Nachweis, der Anfang 1984 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.[2] Sie stellten fest, dass das Isotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen) unter Emission eines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt zu Blei-209 zerfallen kann:

\mathrm{{}^{223}_{\ 88} Ra \to {}^{209}_{\ 82} Pb + {}^{14}_{\ 6} C}

Art und Auftreten[Bearbeiten]

Der Clusterzerfall wird nur bei alphastrahlend radioaktiven Elementen beobachtet, deren Ordnungszahl 87 oder höher ist. Aufgrund dieses dualen Auftretens von Clusterzerfall und Alpha-Zerfall spricht man bei den betroffenen Nukliden von einem dualen Kernzerfall.

Der Name „Cluster“ wurde gewählt, weil das emittierte Teilchen eine „Anhäufung“ (engl. cluster) von Protonen und Neutronen ist.

Die Häufigkeit für solch eine Cluster-Emission beträgt im Vergleich mit dem Alpha-Zerfall in etwa 1:109 bis 1:1016.[3] Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 16. Es sind also Kerne chemischer Elemente, deren Ordnungszahl im Bereich von 6 bis 16 liegt. Die bei einem solchen Clusterzerfall bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24, Neon-25 und Magnesium-28.

Beispiele:[4]

\mathrm{{}^{222}_{\ 88} Ra \to {}^{208}_{\ 82} Pb + {}^{14}_{\ 6} C}
\mathrm{{}^{232}_{\ 92} U \to {}^{208}_{\ 82} Pb + {}^{24}_{ 10} Ne}
\mathrm{{}^{252}_{ 102} No \to {}^{214}_{\ 86} Rn + {}^{38}_{ 16} S}

In der Karlsruher Nuklidkarte von 2006 sind 16 Nuklide aufgeführt, die durch Clusteremission zerfallen können.[5] Das in der Natur vorkommende Isotop Uran-234, ein Alpha-Strahler, hat sogar drei Möglichkeiten des Clusterzerfalls – die Emission eines Neon-24-, eines Neon-26- bzw. eines Magnesium-28-Kerns:[4]

Reaktion Wahrscheinlichkeit Emission von
\mathrm{{}^{234}_{\ 92} U \to {}^{210}_{\ 82} Pb + {}^{24}_{ 10} Ne} 9{,}0 \cdot 10^{-12} Neon-24
\mathrm{{}^{234}_{\ 92} U \to {}^{208}_{\ 82} Pb + {}^{26}_{ 10} Ne} 9{,}0 \cdot 10^{-12} Neon-26
\mathrm{{}^{234}_{\ 92} U \to {}^{206}_{\ 80} Hg + {}^{28}_{ 12} Mg} 1{,}4 \cdot 10^{-11} Magnesium-28

Experimentell nachgewiesenen Clusterzerfälle[Bearbeiten]

Die nachstehende Tabelle gibt eine Übersicht über die experimentell nachgewiesenen Clusterzerfälle[6][7] mit folgenden Angaben:

Zerfallsart Magische Zahl(en) Q
in MeV
lg T1/2
in s
221Fr207Tl + 14C N=126 31,292 14,52
221Ra207Pb + 14C Z=82 32,395 13,39
222Ra208Pb + 14C Z=82, N=126 33,049 11,01
223Ra209Pb + 14C Z=82 31,828 15,20
223Ac209Bi + 14C N=126 33,064 12,60
223Ac208Pb + 15N Z=82, N=126 39,473 > 14,76
224Ra210Pb + 14C Z=82 30,535 15,68
225Ac211Bi + 14C 30,476 17,16
226Ra212Pb + 14C Z=82 28,196 21,19
226Th208Pb + 18O Z=82, N=126 45,726 >15,30
228Th208Pb + 20O Z=82, N=126 44,722 20,72
230Th206Hg + 24Ne N=126 57,761 24,61
230U  → 208Pb + 22Ne Z=82, N=126 61,387 19,57
231Pa208Pb + 23F Z=82, N=126 51,843 26,02
231Pa207Tl + 24Ne N=126 60,410 23,23
232Th208Hg + 24Ne 54.509 >29.20
232Th206Hg + 26Ne N=126 55,964 > 29,20
232U  → 208Pb + 24Ne Z=82, N=126 62,309 21,08
232U  → 204Hg + 28Mg 74,318 > 22,26
233U  → 209Pb + 24Ne Z=82 60,485 24,83
233U  → 210Pb + 25Ne Z=82 60,776 24,84
233U  → 205Hg + 28Mg 74,225 > 27,59
234U  → 210Pb + 24Ne Z=82 58,825 25,92
234U  → 208Pb + 26Ne Z=82, N=126 59,464 25,92
234U  → 206Hg + 28Mg N=126 74,110 27,54
235U  → 211Pb + 24Ne Z=82 57,362 27,42
235U  → 210Pb + 25Ne Z=82 57,756 27,42
235U  → 207Hg + 28Mg 72,158 > 28,10
235U  → 206Hg + 29Mg N=126 72,485 > 28,09
236U  → 212Pb + 24Ne Z=82 55,944 > 25,9
236U  → 210Pb + 26Ne Z=82 56,744 > 25,90
236U  → 208Hg + 28Mg 70,564 27,58
236U  → 206Hg + 30Mg N=126 72,303 27,58
236Pu208Pb + 28Mg Z=82, N=126 79,669 21,67
237Np207Tl + 30Mg N=126 74,818 > 26,93
238Pu210Pb + 28Mg Z=82 75,911 25,70
238Pu208Pb + 30Mg Z=82, N=126 76,823 25,70
238Pu206Hg + 32Si N=126 76,823 25,70
240Pu206Hg + 32Si N=126 91,191 25,27
241Am207Tl + 34Si N=126 93,927 > 24,41
242Cm208Pb + 34Si Z=82, N=126 96,510 23,15

Die verschiedenen Arten des Clusterzerfalls lassen sich gut in einem Nukliddiagramm veranschaulichen:[8][9]


Element
Neutronenzahl
 133   134   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145   146 
96Cm 34Si
95Am 34Si
94Pu   28Mg 28Mg
30Mg
32Si
34Si
93Np   30Mg  
92U   22Ne 24Ne
28Mg
24Ne
25Ne
28Mg
24Ne
26Ne
28Mg
24Ne
25Ne
28Mg
29Mg
24Ne
26Ne
28Mg
30Mg
 
91Pa   23F
24Ne
 
90Th   18O 20O 24Ne 24Ne
26Ne
 
89Ac 14C
15N
14C  
88Ra 14C 14C 14C 14C 14C  
87Fr 14C  

Literatur[Bearbeiten]

  • Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 1 (= Lecture Notes in Physics, Band 818), Springer, 2010, ISBN 978-3-642-13898-0.
  • Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 2 (= Lecture Notes in Physics, Band 848), Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24706-4.
  • Doru S. Delion: Theory of Particle and Cluster Emission. (= Lecture Notes in Physics, Band 819), Springer, 2010, ISBN 978-3-642-14405-9.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and a decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334.
  2. H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247 doi:10.1038/307245a0.
  3. K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.
  4. a b A. F. Holleman, E. Wiberg, N.Wiberg: Lehrbuch der anorganischen Chemie. 102., stark umgearb. u. verb. Aufl. de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1, S. 1887.
  5. J. Magill, G. Pfennig, J. Galy: Karlsruher Nuklidkarte. 2006, ISBN 92-79-02175-3.
  6. K. P. Santhosh, B. Priyanka, M. S. Unnikrishnan: Cluster decay half lives of trans-lead nuclei within the Coulomb and proximity potential model. In: Nuclear Physics A. Band 889, 2012, S. 29–50, doi:10.1016/j.nuclphysa.2012.07.002, arXiv:1207/1207.4384.
  7. Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry: Vol. 1: Basics of Nuclear Science. 2. Auflage, Springer, 2010, ISBN 978-1-4419-0719-6, S. 840–841.
  8. D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Systematics of cluster decay modes. In: Physical Review C. Band 65, Nummer 4, 2002, S. 054308, doi:10.1103/PhysRevC.65.054308.
  9. D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Erratum: Systematics of cluster decay modes [†Phys. Rev. C 65, 054308 „2002…‡]. In: Physical Review C. Band 66, Nummer 4, 2002, S. 049902(E), doi:10.1103/PhysRevC.66.049902.

Weblinks[Bearbeiten]

  • Literaturübersicht
  • D. N. Poenaru, W. Greiner: Cluster radioactivity - past, present and future. Workshop on State of the Art in Nuclear Cluster Physics, May 13–16, 2008, Strasbourg (PDF).