Stabile Kerne – Instabile Kerne
Eine nukleare Stabilität wird durch den Wettbewerb zweier grundlegender Wechselwirkungen bestimmt. Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich durch die Kernkraft anziehen , während sich Protonen aufgrund ihrer positiven Ladung gegenseitig durch die elektromagnetische Kraft abstoßen . Diese beiden Kräfte konkurrieren, was zu einer unterschiedlichen Stabilität der Kerne führt. Es gibt nur bestimmte Kombinationen von Neutronen und Protonen, die stabile Kerne bilden . Neutronen stabilisieren den Kern , weil sie sich und Protonen anziehen, was dazu beiträgt, die elektrische Abstoßung zwischen Protonen auszugleichen. Infolgedessen wird mit zunehmender Anzahl von Protonen ein zunehmendes Verhältnis von Neutronen zu Protonen benötigt um einen stabilen Kern zu bilden. Wenn für eine bestimmte Anzahl von Protonen zu viele ( Neutronen halten sich ebenfalls an das Pauli-Ausschlussprinzip ) oder zu wenige Neutronen vorhanden sind, ist der entstehende Kern nicht stabil und zerfällt radioaktiv . Instabile Isotope zerfallen auf verschiedenen Wegen des radioaktiven Zerfalls, am häufigsten durch Alpha-Zerfall, Beta-Zerfall oder Elektroneneinfang. Viele andere seltene Zerfallsarten wie Spontanspaltung oder Neutronenemission sind bekannt.
Das Pauli-Prinzip beeinflusst auch die kritische Energie von spaltbaren und spaltbarem Kern . Beispielsweise sind Aktiniden mit ungerader Neutronenzahl normalerweise spaltbar (spaltbar mit langsamen Neutronen), während Aktiniden mit gerader Neutronenzahl normalerweise nicht spaltbar sind (aber spaltbar mit schnellen Neutronen). Schwere Kerne mit einer geraden Anzahl von Protonen und einer geraden Anzahl von Neutronen sind (aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips) dank des Auftretens von ‚Paired Spin‘ sehr stabil. Andererseits sind Kerne mit einer ungeraden Anzahl von Protonen und Neutronen meist instabil.
Magische Zahlen von Protonen und Neutronen
Eine magische Zahl ist eine Anzahl von Nukleonen in einem Kern , die vollständigen Schalen innerhalb des Atomkerns entsprechen. Atomkerne, die aus einer solchen magischen Anzahl von Nukleonen bestehen, haben eine höhere durchschnittliche Bindungsenergie pro Nukleon, als man aufgrund von Vorhersagen wie der Massenformel von Weizsaecker (auch als semi-empirische Massenformel – SEMF – bezeichnet ) erwarten würde, und sind daher stabiler gegen nuklearen Verfall. Magische Zahlen werden vom Kernschalenmodell vorhergesagtund werden durch Beobachtungen bewiesen, die gezeigt haben, dass es plötzliche Diskontinuitäten in den Protonen- und Neutronentrennungsenergien bei spezifischen Werten von Z und N gibt. Diese entsprechen dem Schließen von Schalen (oder Unterschalen). Kerne mit geschlossenen Schalen sind fester gebunden als die nächsthöhere Zahl. Das Schließen der Schalen erfolgt bei Z oder N = 2, 8, 20, 28, (40), 50, 82, 126. Es wurde festgestellt, dass Kerne mit gerader Anzahl von Protonen und Neutronen stabiler sind als Kerne mit ungerader Anzahl. Kerne, deren Neutronenzahl und Protonenzahl einer der magischen Zahlen entsprechen, können als „ doppelt magisch “ bezeichnet werden und haben sich als besonders stabil erwiesen.
Es gibt weitere spezielle Eigenschaften von Kernen, die eine magische Anzahl von Nukleonen haben:
- Höhere Fülle in der Natur. Zum Beispiel gehört Helium-4 zu den am häufigsten vorkommenden (und stabilsten) Kernen im Universum.
- Die stabilen Elemente am Ende der Zerfallsreihe haben alle eine „magische Zahl“ von Neutronen oder Protonen. Besonders stabil sind die Kerne He-4, O-16 und Pb-208 (82 Protonen und 126 Neutronen), die magische Zahlen von Neutronen und Protonen enthalten. Die relative Stabilität dieser Kerne erinnert an die von Inertgasatomen (geschlossene Elektronenschalen).
- Kerne mit N = magischer Zahl haben viel geringere Neutronenabsorptionsquerschnitte als umgebende Isotope.
- Diese Kerne scheinen eine vollkommen kugelförmige Form zu haben; Sie haben keine elektrischen Quadrupolmomente.
- Kerne mit magischen Zahlen haben eine höhere erste Anregungsenergie.
Instabile Kerne – Zerfallsmodi
Quelle: chemwiki.ucdavis.edu
Der nukleare Zerfall (radioaktiver Zerfall) tritt auf, wenn ein instabiles Atom durch Emission ionisierender Strahlung Energie verliert. Der radioaktive Zerfall ist ein zufälliger Prozess auf der Ebene einzelner Atome, da es nach der Quantentheorie unmöglich ist, vorherzusagen, wann ein bestimmtes Atom zerfallen wird. Während des radioaktiven Zerfalls zersetzt sich ein instabiler Kern spontan und zufällig unter Bildung eines anderen Kerns (oder eines anderen Energiezustands – Gamma-Zerfall), wobei Strahlung in Form von Atompartikeln oder energiereichen Strahlen abgegeben wird. Dieser Zerfall erfolgt mit einer konstanten, vorhersagbaren Rate, die als Halbwertszeit bezeichnet wird. Ein stabiler Kern wird dieser Art von Zerfall nicht unterliegen und ist daher nicht radioaktiv. Es gibt viele Arten des radioaktiven Zerfalls:
- Alpha-Radioaktivität . Alpha-Zerfall ist die Emission von Alpha-Partikeln (Heliumkernen). 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-Radioaktivität . Beta-Zerfall ist die Emission von Beta-Partikeln . 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.
- Gammaradioaktivität . Gammaradioaktivität besteht aus Gammastrahlen. Gammastrahlen sind elektromagnetische Strahlung (hochenergetische Photonen) mit einer sehr hohen Frequenz und einer hohen Energie. Sie entstehen durch den Zerfall von Kernen, wenn sie von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedrigerer Energie übergehen, der als Gamma-Zerfall bekannt ist. Die meisten Kernreaktionen gehen mit einer Gamma-Emission einher.
- Neutronenemission . Die Neutronenemission ist eine Art radioaktiver Zerfall von Kernen, die überschüssige Neutronen (insbesondere Spaltprodukte) enthalten, bei denen ein Neutron einfach aus dem Kern ausgestoßen wird. Diese Art von Strahlung spielt eine Schlüsselrolle bei der Steuerung von Kernreaktoren , da diese Neutronen verzögerte Neutronen sind .
Die Rate des nuklearen Zerfalls wird auch als Halbwertszeit gemessen . Die Halbwertszeit ist die Zeit, die ein bestimmtes Isotop benötigt, um die Hälfte seiner Radioaktivität zu verlieren. Die Halbwertszeiten reichen von Millionstelsekunden für hochradioaktive Spaltprodukte bis zu Milliarden von Jahren für langlebige Materialien (wie natürlich vorkommendes Uran ). Beachten Sie, dass kurze Halbwertszeiten mit großen Zerfallskonstanten einhergehen. Radioaktives Material mit einer kurzen Halbwertszeit ist (zum Zeitpunkt der Herstellung) viel radioaktiver, verliert jedoch offensichtlich schnell seine Radioaktivität. Unabhängig davon, wie lang oder kurz die Halbwertszeit ist, bleibt nach Ablauf von sieben Halbwertszeiten weniger als 1 Prozent der ursprünglichen Aktivität übrig.
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