Primordiales Nuklid

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Relative Häufigkeit der Elemente in der Erdkruste

Ein Radionuklid bezeichnet man als primordial (lat.: „von erster Ordnung“), wenn es schon bei der Entstehung der Erde vorhanden war, aber noch nicht vollständig zerfallen ist und daher in der Natur vorkommt. Statt „primordiales Radionuklid“ wird meist nur „primordiales Nuklid“ gesagt.

Unter Annahme eines Erdalters von 4,6 Milliarden Jahren muss die Halbwertszeit (HWZ) eines Nuklids größer als ungefähr 50 Millionen Jahre sein, damit es noch nachgewiesen werden kann. Verwendet man diese Definition, so gibt es 288 Nuklide, die entweder stabil oder primordial sein müssen. Nach aktuellem Kenntnisstand teilen sie sich in 256 stabile und 32 primordiale auf. Die nach absteigenden Halbwertszeiten geordnete Liste endet mit:

... 190Pt, 147Sm, 138La, 87Rb, 187Re, 176Lu, 232Th, 238U, 40K, 235U, 146Sm und 244Pu.

Das Plutoniumisotop 244Pu (Halbwertszeit 8,08 · 107 a) konnte mit dem Verfahren der Massenspektrometrie als primordial nachgewiesen werden.[1] Seine HWZ von knapp 81 Mio. Jahren ist im Erdalter schon 57 mal abgelaufen, es ist somit das vergänglichste primordiale Nuklid. Seine ursprüngliche Konzentration war 1,4 · 1017 mal so hoch wie heute. Sein Massenanteil in einigen Erzen liegt bei 10−18.

Das nächst vergänglichere primordiale Nuklid könnte 92Nb mit einer Halbwertszeit von 3,47 · 107 a sein; seit Entstehung der Erde sind 133 seiner Halbwertszeiten vergangen und die ursprüngliche Häufigkeit ist so um einen Faktor 1040 abgesunken. Ein Nachweis in einer so geringen Konzentration ist nicht möglich.

Die primordialen Nuklide sind meist mit anderen, zum Teil stabilen Isotopen des gleichen Elements vermischt. Weitere wichtige primordiale Nuklide außer den oben bereits genannten sind z. B. 190Pt, 204Pb, 209Bi und 40K. Letzteres – in allen lebenden Organismen enthalten – hat eine Halbwertszeit von 1,28 Milliarden Jahren.

Die Abgrenzung zwischen stabilen und primordialen Nukliden ist wegen der langen Halbwertszeiten schwierig. Für einige theoretisch instabile Nuklide konnte der Zerfall experimentell noch nicht nachgewiesen werden. Ein Beispiel ist das metastabile Nuklid 180mTa, dessen Zerfall in den Grundzustand 180Ta noch nicht beobachtet werden konnte. Die längsten beobachteten Halbwertszeiten liegen im Bereich von Quadrillionen Jahren (128Te mit 2,2 · 1024 a).

Bei einigen primordialen Nukliden – insbesondere 235U, 238U und 232Th – ist das Zerfallsprodukt („Tochternuklid“) nicht stabil, sondern ebenfalls radioaktiv. Bei den vorgenannten Nukliden ist dies über mehrere Generationen von Tochternukliden der Fall. Haben, wie bei den vorgenannten Nukliden, die Tochternuklide kürzere Halbwertszeiten als das Ausgangsnuklid, dann stellt sich nach längerer Zeit ein säkulares Gleichgewicht ein, bei dem die Aktivität der Tochternuklide gleich der Aktivität der Mutternuklide ist. In ungestörten Gesteinen, die Uran oder Thorium enthalten, sind daher immer auch alle Tochternuklide der Uran-Radium- und Uran-Actinium-Zerfallsreihen bzw. der Thorium-Zerfallsreihe enthalten.

Liste der 34 radioaktiven primordialen Nuklide und gemessenen Halbwertszeiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nr Nuklid Energie Halbwertszeit (Jahre) Zerfallsart Zerfallsenergie (MeV) ungefähres Verhältnis von Halbwertszeit und Alter des Universums
255 128Te 8,743261 2,2 · 1024 2 β 2,530 160 trillion
256 136Xe 8,706805 2,165 · 1021 2 β 2,462 150 billion
257 76Ge 9,034656 1,8 · 1021 2 β 2,039 130 billion
258 130Ba 8,742574 1,2 · 1021 KK 2,620 90 billion
259 82Se 9,017596 1,1 · 1020 2 β 2,995 8 billion
260 116Cd 8,836146 3,102 · 1019 2 β 2,809 2 billion
261 48Ca 8,992452 2,301 · 1019 2 β 4,274, 0,0058 2 billion
262 96Zr 8,961359 2,0 · 1019 2 β 3,4 1 billion
263 209Bi 8,158689 1,9 · 1019 α 3,137 1 billion
264 130Te 8,766578 8,806 · 1018 2 β 0,868 600 million
265 150Nd 8,562594 7,905 · 1018 2 β 3,367 600 million
266 100Mo 8,933167 7,804 · 1018 2 β 3,035 600 million
267 151Eu 8,565759 5,004 · 1018 α 1,9644 300 million
268 180W 8,347127 1,801 · 1018 α 2,509 100 million
269 50V 9,055759 1,4 · 1017 β+ or β 2,205, 1,038 10 million
270 113Cd 8,859372 7,7 · 1015 β 0,321 600,000
271 148Sm 8,607423 7,005 · 1015 α 1,986 500,000
272 144Nd 8,652947 2,292 · 1015 α 1,905 200,000
273 186Os 8,302508 2,002 · 1015 α 2,823 100,000
274 174Hf 8,392287 2,002 · 1015 α 2,497 100,000
275 115In 8,849910 4,4 · 1014 β 0,499 30,000
276 152Gd 8,562868 1,1 · 1014 α 2,203 8000
277 190Pt 8,267764 6,5 · 1011 α 3,252 60
278 147Sm 8,610593 1,061 · 1011 α 2,310 8
279 138La 8,698320 1,021 · 1011 K or β 1,737, 1,044 7
280 87Rb 9,043718 4,972 · 1010 β 0,283 4
281 187Re 8,291732 4,122 · 1010 β or α 0,0026, 1,653 3
282 176Lu 8,374665 3,764 · 1010 β 1,193 3
283 232Th 7,918533 1,406 · 1010 α SF 4,083 1
284 238U 7,872551 4,471 · 109 α SF 4,270 0,3
285 40K 8,909707 1,25 · 109 β or K or β+ 1,311, 1,505, 1,505 0,09
286 235U 7,897198 7,04 · 108 α SF 4,679 0,05
287 244Pu 7,826221 8,0 · 107 α SF 4,666 0,006
288 146Sm 8,626136 6,8 · 107 α 2,529 0,005

Legende[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nr (Nummer)

Laufende Nummer, startet bei 255 nach den 254 Nukliden (oder stabilen Isotopen), deren Radioaktivität noch nicht gemessen wurde.

Nuklid

Nuklidsymbol, gegeben durch die Massenzahl A und das Symbol des chemischen Elements.

Energie

Masse des mittleren Nukleons dieses Nuklids relativ zur Masse des Neutrons in MeV/c2, formal: mnmnuclide / A.

Halbwertszeiten

Alle Zeiten in Jahren

Zerfallsarten
α α Strahlung
β β Strahlung
K Elektroneneinfang
KK Doppelter Elektroneneinfang
β+ β+ Strahlung
SF Spontane Spaltung
2 β Doppelter β Zerfall
β+β+ Doppelter β+ Zerfall
I Gammastrahlung
p Protonenemission
n Neutronenemission
Zerfallsenergie

Mehrere Werte der (maximalen) Zerfallsenergie in MeV sind den Zerfallsarten zugeordnet.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature. Bd. 234, 1971, S. 132–134 (doi:10.1038/234132a0).