Zerfallsreihe

Eine Zerfallsreihe ist allgemein die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie entsteht, indem ein Radionuklid sich in ein anderes, dieses in ein drittes umwandelt usw. („zerfällt“). Das zuerst entstehende Nuklid wird Tochternuklid genannt, das dem Tochternuklid folgende Enkelnuklid, das dem Enkelnuklid folgende Urenkelnuklid usw.

Aus einer vorhandenen Menge eines instabilen Nuklids bildet sich durch Zerfall ein Gemisch der Nuklide, die ihm in der Zerfallsreihe folgen, bevor irgendwann alle Atomkerne die Reihe bis zum Endnuklid durchlaufen haben. In dem Gemisch sind Nuklide mit kurzer Halbwertszeit nur in geringer Menge vorhanden, während solche mit längerer Halbwertszeit sich entsprechend stärker ansammeln.

Die drei natürlichen Zerfallsreihen

Praktisch und historisch wichtig sind die Zerfallsreihen der drei primordialen Radionuklide Uran-238, Uran-235 und Thorium-232, auch Natürlich radioaktive Familien genannt. Sie entstehen durch Alpha- und Beta-Zerfälle, die mehr oder weniger regelmäßig abwechselnd aufeinander folgen. (Manche der beteiligten Nuklide haben auch die alternativ mögliche, aber seltene Zerfallsart Spontanspaltung; sie führt aus der jeweiligen Zerfallsreihe hinaus und wird hier nicht beachtet).

Ein Alphazerfall verringert die Massenzahl des Atomkerns um 4 Einheiten, ein Betazerfall lässt sie unverändert. Schreibt man die Massenzahl A als A = 4n+m (dabei ist n irgendeine natürliche Zahl und m eine der Zahlen 0, 1, 2 oder 3), bleibt deshalb m innerhalb einer solchen Zerfallsreihe stets konstant. Die drei genannten Anfangsnuklide haben verschiedene Werte von m. Daher erzeugt

• Uran-238 die „(4n+2)-Reihe“ oder Uran-Radium-Reihe, Endnuklid Blei-206,
• Uran-235 die „(4n+3)-Reihe“ oder Uran-Actinium-Reihe, Endnuklid Blei-207,
• Thorium-232 die „(4n)-Reihe“ oder Thorium-Reihe, Endnuklid Blei-208.

Th-232 ist zwar primordial, aber nach heutiger Kenntnis sind auch seine Vorgängernuklide bis zum Plutonium-244 auf der Erde vorhanden.

Eine vierte Zerfallsreihe

In der obigen (4n+m)-Systematik „fehlt“ eine Reihe mit m = 1. Da es im Massenzahlbereich von Uran und Thorium kein primordiales Nuklid mit A = 4n+1 gibt, kommt eine solche Zerfallsreihe in der Natur nicht (mehr) vor. Die Zerfallsreihe der künstlich erzeugbaren Nuklide Plutonium-241 oder Neptunium-237, die Neptunium-Reihe, wird der Systematik zuliebe als diese fehlende vierte Reihe betrachtet. Nur das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden und wurde deshalb sogar lange für das Endnuklid gehalten, bis 2003 entdeckt wurde, dass es ein Alphastrahler mit 19 Trillionen Jahren Halbwertszeit ist. Das Endnuklid ist daher Thallium-205.

Lage in der Nuklidkarte

Neutronenzahl

N =

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

Curium

Z = 96

242Cm

244Cm

246Cm

Americium

Z = 95

240Am

241Am

242Am

243Am

244Am

Plutonium

Z = 94

236Pu

237Pu

238Pu

239Pu

240Pu

241Pu

242Pu

243Pu

244Pu

Neptunium

Z = 93

233Np

234Np

235Np

236Np

237Np

238Np

239Np

240Np

Uran

Z = 92

230U

231U

232U

233U

234U

235U

236U

237U

238U

239U

240U

Protactinium

Z = 91

229Pa

230Pa

231Pa

232Pa

233Pa

234Pa

Thorium

Z = 90

226Th

227Th

228Th

229Th

230Th

231Th

232Th

233Th

234Th

Actinium

Z = 89

225Ac

226Ac

227Ac

228Ac

Radium

Z = 88

221Ra

222Ra

223Ra

224Ra

225Ra

226Ra

227Ra

228Ra

Francium

Z = 87

221Fr

222Fr

223Fr

Radon

Z = 86

217Rn

218Rn

219Rn

220Rn

222Rn

223Rn

Astat

Z = 85

215At

217At

218At

219At

Polonium

Z = 84

210Po

211Po

212Po

213Po

214Po

215Po

216Po

218Po

Bismut

Z = 83

209Bi

210Bi

211Bi

212Bi

213Bi

214Bi

215Bi

Blei

Z = 82

206Pb

207Pb

208Pb

209Pb

210Pb

211Pb

212Pb

214Pb

Thallium

Z = 81

205Tl

206Tl

207Tl

208Tl

209Tl

210Tl

Quecksilber

Z = 80

206Hg

Neutronenzahl

N =

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

Legende:

Uran-Radium-Reihe

Uran-Actinium-Reihe

(Plutonium-) Thorium-Reihe

(Plutonium-)Neptunium-Reihe

(Pfeile nicht maßstäblich)

Fortsetzung

Fortsetzung

Fortsetzung

Fortsetzung

Historische Bezeichnungen

In der klassischen Zeit der Erforschung der radioaktiven Zerfallsreihen wurden die verschiedenen Nuklide mit anderen Namen bezeichnet, an denen sich die Zugehörigkeit zu einer natürlichen Zerfallsreihe und die Ähnlichkeit in den Eigenschaften erkennen ließ (z. B. sind Radon, Thoron und Actinon alles Edelgase):

Aktueller Name	Historischer Name	Langversion des Namens
238U	UI	Uran I
235U	AcU	Actinuran
234U	UII	Uran II
234mPa	UX2	Uran X2
234Pa	UZ	Uran Z
231Pa	Pa	Protactinium
234Th	UX1	Uran X1
232Th	Th	Thorium
231Th	UY	Uran Y
230Th	Io	Ionium
228Th	RdTh	Radiothor
227Th	RdAc	Radioactinium
228Ac	MsTh2	Mesothor 2
227Ac	Ac	Actinium
228Ra	MsTh1	Mesothor 1
226Ra	Ra	Radium
224Ra	ThX	Thorium X
223Ra	AcX	Actinium X
223Fr	AcK	Actinium K
222Rn	Rn	Radon
220Rn	Tn	Thoron
219Rn	An	Actinon
218Po	RaA	Radium A
216Po	ThA	Thorium A
215Po	AcA	Actinium A
214Po	RaC'	Radium C'
212Po	ThC'	Thorium C'
211Po	AcC'	Actinium C'
210Po	RaF	Radium F
214Bi	RaC	Radium C
212Bi	ThC	Thorium C
211Bi	AcC	Actinium C
210Bi	RaE	Radium E
214Pb	RaB	Radium B
212Pb	ThB	Thorium B
211Pb	AcB	Actinium B
210Pb	RaD	Radium D
208Pb	ThD	Thorium D
207Pb	AcD	Actinium D
206Pb	RaG	Radium G
210Tl	RaC"	Radium C"
208Tl	ThC"	Thorium C"
207Tl	AcC"	Actinium C"

Die drei natürlichen Zerfallsreihen sähen in dieser alten Bezeichnungsweise folgendermaßen aus:

• Uran-Radium-Reihe: U_I → UX₁ → UX₂ (→ UZ) → U_II → Io → Ra → Rn → RaA → RaB → RaC → RaC' (oder RaC") → RaD → RaE → RaF → RaG
• Uran-Actinium-Reihe: AcU → UY → Pa → Ac → RdAc (oder AcK) → AcX → An → AcA → AcB → AcC → AcC" (oder AcC') → AcD
• Thorium-Reihe: Th → MsTh₁ → MsTh₂ → RdTh → ThX → Tn → ThA → ThB → ThC → ThC' (oder ThC") → ThD

Siehe auch

• Fajans-soddysche Verschiebungssätze

Weblinks

 Commons: Zerfallsreihe – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien