Clusterzerfall

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Der Clusterzerfall (auch Clusteremission, englisch cluster decay) ist ein sehr selten auftretender radioaktiver Zerfallstyp. Dabei wird ein leichter Atomkern emittiert, der schwerer als ein Alpha-Teilchen, aber mit 6 bis 14 Prozent der Masse des Mutterkerns wesentlich leichter als die typischen Spaltfragmente der Kernspaltung ist. Außerdem werden keine Neutronen freigesetzt.

Als emittierte Cluster beobachtet wurden bisher Kerne zwischen Kohlenstoff-14 und Silicium-34. Es handelt sich überwiegend nicht um die jeweils stabilsten Kerne zu ihrer Ordnungszahl, sondern um deren Isotope mit höherem Neutronenüberschuss, entsprechend dem Neutronenüberschuss des Mutterkerns.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext 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 Radiumisotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen) unter Emission eines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt zu Blei-209 zerfallen kann:

Art und Auftreten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Clusterzerfall wurde bisher nur bei einigen alphastrahlenden Radionukliden mit Ordnungszahlen ab 87 (Francium) beobachtet. Aufgrund dieses Auftretens von Cluster- und Alpha-Zerfall beim gleichen Nuklid spricht man bei den betroffenen Nukliden von einem dualen Kernzerfall. Der Clusterzerfall kann kernphysikalisch als stark asymmetrische Kernspaltung verstanden werden[3]

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

Die Wahrscheinkeit für einen Clusterzerfall ist im Vergleich zum Alpha-Zerfall um den Faktor 109 bis 1016 geringer.[4] Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 14. Die bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24 und Magnesium-28. Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 bis 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.

stattfindender
Cluster-Zerfall
Magische
Zahl(en)
E
(MeV)
221Fr207Tl + 14C N=126; N=8 31,292 14,52
221Ra207Pb + 14C Z=82; N=8 32,395 13,39
222Ra208Pb + 14C Z=82, N=126; N=8 33,049 11,01
223Ra209Pb + 14C Z=82; N=8 31,828 15,20
224Ra210Pb + 14C Z=82; N=8 30,535 15,68
226Ra212Pb + 14C Z=82; N=8 28,196 21,19
223Ac209Bi + 14C N=126; N=8 33,064 12,60
223Ac208Pb + 15N Z=82, N=126; N=8 39,473 > 14,76
225Ac211Bi + 14C N=8 30,476 17,16
226Th208Pb + 18O Z=82, N=126; Z=8 45,726 > 15,30
228Th208Pb + 20O Z=82, N=126; Z=8 44,722 20,72
230Th206Hg + 24Ne N=126 57,761 24,61
232Th208Hg + 24Ne - 54,509 > 29,20
232Th206Hg + 26Ne N=126 55,964 > 29,20
231Pa208Pb + 23F Z=82, N=126 51,843 26,02
231Pa207Tl + 24Ne N=126 60,410 23,23
230U  → 208Pb + 22Ne Z=82, N=126 61,387 19,57
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  → 208Pb + 25Ne Z=82, N=126 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 > 25,90
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
237Np207Tl + 30Mg N=126 74,818 > 26,93
236Pu208Pb + 28Mg Z=82, N=126 79,669 21,67
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 + 34Si N=126; N=20 91,191 25,27
241Am207Tl + 34Si N=126; N=20 93,927 > 24,41
242Cm208Pb + 34Si Z=82, N=126; N=20 96,510 23,15

In der Karlsruher Nuklidkarte von 2012 sind 20 Radionuklide aufgeführt, die neben dem dominierenden Alphazerfall auch Clusteremission aufweisen[5]:

Bei einigen Radionukliden sind bis zu vier Möglichkeiten des Clusterzerfalls beobachtet worden, beispielsweise drei bei dem in der Natur vorkommenden Uranisotop Uran-234: die Emission eines Neon-24-, eines Neon-26- oder eines Magnesium-28-Kerns.

Reaktion Verzweigungs-
verhältnis (%)
E
(MeV)
Cluster Geschw.
(km/s)
Tochter­kern Geschw.
(km/s)
0,9·10−9 60,485 Neon-24 020.866 Blei-210 002.390
0,9·10−9 60,776 Neon-26 020.024 Blei-208 002.503
1,4·10−9 74,225 Magne­sium-28 021.222 Queck­silber-206 002.884
Zum Vergleich: Alpha-Zerfall
≈100 04,859 Helium-4 016.567 Thorium-230 000.264

Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die rechts stehende Tabelle gibt eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle[6][7] mit folgenden Angaben:

  • der  stattfindende Cluster-Zerfall  mit beteiligten Kernen:  Mutterkern → Tochterkern + Cluster ,
  • als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende  Magische Zahl(en) ,
  • die auf Grund des Massendefekts freiwerdende Energie  E  in MeV:  ,
Entstehende Clusterkerne: [8][9]
Ele­ment Neutronenzahl
133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
87Fr 14C
88Ra 14C 14C 14C 14C 14C
89Ac 14C
15N
14C
90Th 18O 20O 24Ne 24Ne
26Ne
91Pa 23F
24Ne
92U 22Ne 24Ne

28Mg
24Ne
25Ne
28Mg
24Ne
26Ne
28Mg
24Ne
25Ne
28Mg
29Mg
24Ne
26Ne
28Mg
30Mg
93Np 30Mg
94Pu 28Mg 28Mg
30Mg
32Si


34Si
95Am 34Si
96Cm 34Si
Entstehende Tochterkerne (meist Blei, Quecksilber, selten Thallium, Bismut)
Ele­ment Neutronenzahl
133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146
87Fr 207Tl
88Ra 207Pb 208Pb 209Pb 210Pb 212Pb
89Ac 209Bi
208Pb
211Pb
90Th 208Pb 208Pb 206Hg 208Hg
206Hg
91Pa 208Pb
207Tl
92U 208Pb 208Pb

204Hg
209Pb
208Pb
205Hg
210Pb
208Pb
206Hg
211Pb
210Pb
207Hg
206Hg
212Pb
210Pb
208Hg
206Hg
93Np 207Tl
94Pu 208Pb 210Pb
208Pb
206Hg


206Hg
95Am 207Tl
96Cm 208Pb

Literatur[Bearbeiten | Quelltext 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 | Quelltext 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. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik, 2. Auflage, Springer 2001, Seite 236, ISBN 978-3-540-41444-5
  4. K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.
  5. J. Magill, G. Pfennig, R. Dreher, Z. Sóti: Karlsruher Nuklidkarte. 8. Auflage 2012. Nucleonica GmbH 2012, ISBN 92-79-02431-0 (Wandkarte) bzw. ISBN 978-3-00-038392-2 (Faltkarte).
  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:1207.4384.
  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 | Quelltext 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, 52 Seiten).