Was ist radioaktive Zerfallskette – Definition

In der Physik ist eine radioaktive Zerfallskette eine Folge instabiler Atomkerne und ihrer Zerfallsmodi , die zu einem stabilen Kern führt. Die Quellen dieser instabilen Kerne sind unterschiedlich, aber die meisten Ingenieure befassen sich mit natürlich vorkommenden radioaktiven Zerfallsketten, die als radioaktive Reihen bekannt sind . Es ist zu beachten, dass es in Kernreaktoren viele Arten von Zerfallsketten von Spaltfragmenten gibt . Spaltfragmente sind sehr instabil (radioaktiv) und zerfallen weiter radioaktiv , um sich zu stabilisieren. Diese „künstlichen“ Zerfallsketten gehören nicht zu den natürlich vorkommenden radioaktiven Reihen.

Radioaktive Serie – Radioaktive Kaskade

Radioaktive Reihen (auch als radioaktive Kaskaden bekannt) sind drei natürlich vorkommende  radioaktive Zerfallsketten und eine künstliche radioaktive Zerfallskette  instabiler schwerer Atomkerne, die durch eine Folge von Alpha- und Beta-Zerfällen zerfallen, bis ein stabiler Kern erreicht ist. Die meisten Radioisotope zerfallen nicht direkt in einen stabilen Zustand, und alle Isotope innerhalb der Reihe zerfallen auf die gleiche Weise. In der Physik des nuklearen Zerfalls wird der zerfallende Kern üblicherweise als Elternkern und der nach dem Ereignis verbleibende Kern als Tochterkern bezeichnet . Da Alpha-Zerfall die Auflösung von a darstelltElternkern einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) gibt es nur vier Zerfallsreihen . Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe, die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe, die Uran-Reihe als 4n + 2-Reihe und die Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt.

Drei der Sets heißen natürliche oder klassische Serien. Der vierte Satz, die Neptunium-Reihe, wird von Neptunium-237 geleitet. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und kommen nicht auf natürliche Weise vor.

• die Thoriumreihe (4n-Reihe) ,
• die Uranreihe (4n + 2-Reihe) ,
• die Actinium-Reihe (4n + 3-Reihe) ,
• die Neptunium-Reihe (4n + 1-Reihe) .

Die klassischen Reihen werden von ursprünglichen instabilen Kernen geleitet . Urnuklide sind auf der Erde gefundene Nuklide, die in ihrer gegenwärtigen Form seit der Entstehung der Erde existieren. Die vorherigen vier Reihen bestehen aus den Radioisotopen, die Nachkommen von vier schweren Kernen mit langen und sehr langen Halbwertszeiten sind:

• die Thoriumreihe mit Thorium-232 (mit einer Halbwertszeit von 14,0 Milliarden Jahren),
• die Uranreihe mit Uran-238 (das 4,47 Milliarden Jahre lebt),
• die Actinium-Reihe mit Uran-235 (mit einer Halbwertszeit von 0,7 Milliarden Jahren).
• die Neptunium-Reihe mit Neptunium-237 (mit einer Halbwertszeit von 2 Millionen Jahren).

Die Halbwertszeiten aller Tochterkerne sind extrem variabel, und es ist schwierig, eine Reihe von Zeitskalen darzustellen, die von einzelnen Sekunden bis zu Milliarden von Jahren reichen. Da Tochterradioisotope unterschiedliche Halbwertszeiten haben, ist nach einiger Zeit ein säkulares Gleichgewicht erreicht. In der langen Zerfallskette für ein natürlich radioaktives Element wie Uran-238 , in der sich alle Elemente in der Kette im säkularen Gleichgewicht befinden, hat sich jeder der Nachkommen zu einer Gleichgewichtsmenge aufgebaut und alle zerfallen mit der von der ursprünglicher Elternteil. Wenn und wann ein Gleichgewicht erreicht ist, ist jedes aufeinanderfolgende Tochterisotop in direktem Verhältnis zu seiner Halbwertszeit vorhanden. Seit seiner Tätigkeit ist umgekehrt proportional zu seiner Halbwertszeit, jedes Nuklid in der Zerfallskette trägt schließlich so viele individuelle Transformationen bei wie der Kopf der Kette.

Wie aus den Figuren ersichtlich ist, tritt in allen vier radioaktiven Reihen eine Verzweigung auf. Das bedeutet, dass der Zerfall einer bestimmten Art auf mehrere Arten erfolgen kann. Beispielsweise zerfällt in der Thoriumreihe Wismut-212 teilweise durch negative Beta-Emission zu Polonium-212 und teilweise durch Alpha-Emission zu Thallium-206.

Die radioaktive Kaskade beeinflusst die Radioaktivität ( Zerfall pro Sekunde) erheblich) von natürlichen Proben und natürlichen Materialien. Alle Nachkommen sind zumindest vorübergehend in jeder natürlichen Probe vorhanden, ob Metall, Verbindung oder Mineral. Beispielsweise ist reines Uran-238 schwach radioaktiv (proportional zu seiner langen Halbwertszeit), aber ein Uranerz ist aufgrund seiner Tochterisotope (z. B. Radon, Radium usw.) etwa 13-mal radioaktiver als das reine Uran-238-Metall. es beinhaltet. Instabile Radiumisotope sind nicht nur signifikante Radioaktivitätsemitter, sondern erzeugen als nächste Stufe in der Zerfallskette auch Radon, ein schweres, inertes, natürlich vorkommendes radioaktives Gas. Darüber hinaus trägt die Zerfallswärme von Uran und seinen Zerfallsprodukten (z. B. Radon, Radium usw.) zur Erwärmung des Erdkerns bei.

Arten des Verfalls

Innerhalb jeder radioaktiven Serie gibt es zwei Hauptmodi des radioaktiven Zerfalls:

• Alpha-Zerfall . Der Alpha-Zerfall  repräsentiert den Zerfall eines  Elternkerns  zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms. Alpha-Teilchen  bestehen aus zwei Protonen und zwei  Neutronen  , die zu einem Teilchen zusammengebunden sind, das mit einem Heliumkern identisch ist. Aufgrund seiner sehr großen Masse (mehr als das 7000-fache der Masse des Beta-Partikels) und seiner Ladung  ionisiert es das  Material schwer und hat eine  sehr kurze Reichweite .
• Beta-Zerfall . Der Beta-Zerfall  oder  β-Zerfall  repräsentiert den Zerfall eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Beta-Partikels. Beta-Teilchen sind energiereiche Hochgeschwindigkeitselektronen oder Positronen, die von bestimmten Arten radioaktiver Kerne wie Kalium-40 emittiert werden. Die Beta-Partikel haben einen  größeren  Durchdringungsbereich als Alpha-Partikel, aber immer noch viel weniger als Gammastrahlen. Die emittierten Beta-Partikel sind eine Form ionisierender Strahlung, die auch als Beta-Strahlen bezeichnet wird. Die Produktion von Beta-Partikeln wird als Beta-Zerfall bezeichnet.

Thorium-Serie

Die Thoriumreihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Thorium-232 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Bei Thoriumreihen ist der stabile Kern Blei-208.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Thoriumreihe als 4n-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Thorium-232 an Blei-208 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 42,6 MeV.

Neptunium-Serie

Die Neptunium-Reihe ist eine radioaktive Reihe, die mit Neptunium-237 beginnt. Seine Mitglieder werden künstlich durch Kernreaktionen hergestellt und treten nicht auf natürliche Weise auf, da die Halbwertszeit des am längsten lebenden Isotops in der Reihe im Vergleich zum Alter der Erde kurz ist. Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Neptuniumreihen ist der stabile Kern Wismut-209 (mit einer Halbwertszeit von 1,9E19 Jahren) und Thallium-205.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Neptunium-Reihe als 4n + 1-Reihe bekannt .

Die von Neptunium-237 an Thallium-205 freigesetzte Gesamtenergie , einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 50,0 MeV.

In einer Art Rauchmelder können Sie Radionuklide aus dieser Serie treffen. Ionisationsrauchmelder verwenden normalerweise ein Radioisotop, typischerweise Americium-241 , um Luft zu ionisieren und Rauch zu erkennen. In diesem Fall zerfällt Americium-241 zu Neptunium-237 und ist tatsächlich ein Mitglied der Neptunium-Reihe.

Uran-Serie

Die Uranreihe , auch Radiumreihe genannt, ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-238 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Uranreihen ist der stabile Kern Blei-206.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Als Ergebnis der Uran – Serie ist bekannt als die 4n + 2 – Serie .

Die Gesamtenergie, die von Uran-238 an Blei-206 freigesetzt wird, einschließlich der an Neutrinos verlorenen Energie , beträgt 51,7 MeV.

Uran-Serie und Uran-234

Das Isotop von Uran-234 ist ein Mitglied dieser Reihe. Dieses Isotop hat eine Halbwertszeit von nur 2,46 × 10 ⁵ Jahren und gehört daher nicht zu den Urnukliden (im Gegensatz zu ²³⁵ U und ²³⁸ U ). Andererseits ist dieses Isotop immer noch in der Erdkruste vorhanden, was jedoch darauf zurückzuführen ist, dass ²³⁴ U ein indirektes Zerfallsprodukt von ²³⁸ U ist . ²³⁸ U zerfällt über Alpha-Zerfall in ²³⁴ U. ²³⁴U zerfällt durch Alpha-Zerfall in 230Th, mit Ausnahme eines sehr kleinen Anteils (in der Größenordnung von ppm) von Kernen, der durch spontane Spaltung zerfällt.

In einer natürlichen Uranprobe liegen diese Kerne in unveränderlichen Anteilen des radioaktiven Gleichgewichts der ²³⁸ U-Filiation in einem Verhältnis von einem Atom von ²³⁴ U für etwa 18 500 Kerne von ²³⁸ U vor. Als Ergebnis dieses Gleichgewichts sind diese beiden Isotope ( ²³⁸ U und ²³⁴ U) tragen gleichermaßen zur Radioaktivität von natürlichem Uran bei.

Actinium-Serie

Die Actinium-Reihe ist eine von drei klassischen radioaktiven Reihen, die mit natürlich vorkommendem Uran-235 beginnen . Diese radioaktive Zerfallskette besteht aus instabilen schweren Atomkernen daß Zerfall durch eine Sequenz von alpha und beta Zerfälle , bis einem stabilen Kern erreicht wird. Im Fall von Actiniumreihen ist der stabile Kern Blei-207.

Da der Alpha-Zerfall die Auflösung eines Elternkerns zu einer Tochter durch die Emission des Kerns eines Heliumatoms (das vier Nukleonen enthält) darstellt, gibt es nur vier Zerfallsreihen. Innerhalb jeder Reihe kann daher die Massenzahl der Elemente als vierfache geeignete ganze Zahl (n) plus der Konstante für diese Reihe ausgedrückt werden. Infolgedessen ist die Actinium-Reihe als 4n + 3-Reihe bekannt .

Die Gesamtenergie, die von Uran-235 an Blei-207 freigesetzt wird, einschließlich der Energie, die an Neutrinos verloren geht, beträgt 46,4 MeV.