Kernumwandlungen

Häufig werden sie künstlich hervorgerufen, z. B. durch Beschuss von Atomkernen mit anderen Teilchen (Bild 1).

Bild 2 gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten von Kernumwandlungen. Genauere Informationen zu den speziellen Formen Spontanzerfall, Kernspaltung und Kernfusion sind unter den entsprechenden Stichwörtern zu finden.

Einige weitere Kernumwandlungen

Kernumwandlungen kann man auch durch Beschuss von Atomkernen mit Neutronen, Alphastrahlung (doppelt positiv geladenen Heliumkernen) oder anderen leichten Teilchen hervorrufen. Nachfolgend sind dafür einige auch historisch bedeutsame Kernumwandlungen genannt.

1. Die erste künstliche Kernumwandlung wurde 1919 von ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) realisiert. Er beschoss Stickstoffatome mit Alphastrahlung (doppelt positiv geladenen Heliumkernen). Es entstanden Sauerstoff und ein Proton:

${}_7{}^{14}\text{N}\text{+}{}_{\text{2}}{}^{\text{4}}\text{H}\text{e}\to {}_{\text{8}}{}^{\text{17}}\text{O}\text{+}{}_{\text{1}}{}^{\text{1}}\text{p}$

2. Im Jahre 1932 entdeckte JAMES CHADWICK (1891-1974), ein Schüler von RUTHERFORD, bei der Bestrahlung von Beryllium mit Alphastrahlung das Neutron. Die Reaktionsgleichung lautet folgendermaßen:

${}_4{}^9\text{B}\text{e}+{}_2{}^4\text{H}\text{e}\to {}_6{}^{12}\text{C}+{}_0{}^1\text{n}$

3. Im Jahre 1934 entdeckten IRENE JOLIOT-CURIE (1897-1956) und FREDERIC JOLIOT-CURIE (1900-1958) die künstliche Radioaktivität. Sie bestrahlten Aluminium mit Alphateilchen. Es bildete sich Phosphor, das seinerseits in Silicium und ein Positron zerfiel:

$\begin{array}{l}{}_{13}{}^{27}\text{A}\text{l}+{}_2{}^4\text{H}\text{e}\to {}_{15}{}^{30}\text{P}+{}_0{}^1\text{n}\\ {}_{\text{15}}{}^{\text{30}}\text{P}\to {}_{14}{}^{30}\text{S}\text{i}+{}_{+1}{}^0\text{e}\end{array}$

4. Die von Alchemisten jahrhundertelang versuchte Herstellung von Gold gelang ENRICO FERMI (1901-1954) im Jahre 1934 durch eine Kernumwandlung. Er bestrahlte Platin mit Neutronen und erhielt Gold:

$\begin{array}{l}{}_{78}{}^{196}\text{P}\text{t}+{}_0{}^1\text{n}\to {}_{78}{}^{197}\text{P}\text{t}+\gamma \\ {}_{\text{78}}{}^{\text{197}}\text{P}\text{t}\to {}_{79}{}^{197}\text{A}\text{u}+{}_{-1}{}^0\text{e}\end{array}$

5. Ebenfalls ENRICO FERMI erzeugte erstmals durch Beschuss von Uran mit Neutronen Elemente mit einer Ordnungszahl von über 92. Diese Elemente werden als Transurane bezeichnet.
Eine solche Reaktion lautet:

${}_{92}{}^{238}\text{U}+{}_0{}^1\text{n}\to {}_{92}{}^{239}\text{U}\to {}_{93}{}^{239}\text{N}\text{p}+{}_{-1}{}^0\text{e}$

6. Bei der Entdeckung der Kernspaltung durch OTTO HAHN
(1879-1968), FRITZ STRASSMANN (1902-1980) und LISE MEITNER (1878-1968) im Jahre 1938 wurde als ein Spaltprodukt Barium festgestellt. Beschossen wurde Uran-235 mit Neutronen. Die Gesamtreaktion lautet:

${}_{92}{}^{235}\text{U}+{}_0{}^1\text{n}\to {}_{92}{}^{236}\text{U}\to {}_{56}{}^{144}\text{B}\text{a}+{}_{36}{}^{89}\text{K}\text{r}+3\cdot {}_0{}^1\text{n}$

7. Die im Inneren der Sonne vor sich gehende Kernfusion geht in mehreren Schritten vor sich: Aus Wasserstoff bildet sich zunächst Deuterium, aus Deuterium und Wasserstoff Helium-3 und aus Helium-3 das stabile Helium-4. Der gesamte Vorgang vollzieht sich nach den folgenden Reaktionsgleichungen:

$\begin{array}{l}{}_1{}^1\text{H}+{}_1{}^1\text{H}\to {}_1{}^2\text{D}+{}_{+1}{}^0\text{e}+\nu \\ {}_{\text{1}}{}^{\text{2}}\text{D}+{}_1{}^1\text{H}\to {}_2{}^3\text{H}\text{e}+\gamma \\ {}_{\text{2}}{}^{\text{3}}\text{H}\text{e}+{}_2{}^3\text{H}\text{e}\to {}_2{}^4\text{H}\text{e}+2\cdot {}_1{}^1\text{H}\end{array}$

Spontanzerfall - eine Form der Kernumwandlung

Radioaktive Nuklide wandeln sich völlig spontan unter Aussendung radioaktiver Strahlung in neue Kerne um. Diese Form der Kernumwandlung wird als Spontanzerfall bezeichnet, da sie ohne jeglichen Einfluss von außen vonstatten geht.
Von den in der Natur vorkommenden 91 Elementen sind ca. 300 natürliche Nuklide bekannt, von denen etwa 50 radioaktiv sind, also spontan zerfallen. Beim spontanen Zerfall tritt

$\alpha -\text{Strahlung}\text{,}\beta -\text{Strahlung und}\gamma -\text{Strahlung}$

auf. Der Spontanzerfall und die damit verbundene Radioaktivität in unserer Umwelt führt dazu, dass wir ständig einer schwachen radioaktiven Strahlung ausgesetzt sind.

Beispiele für Spontanzerfall

Zu den natürlichen Radionukliden gehören z. B. Uran-238, Radium-226, Polonium-214, Caesium-137 oder Kohlenstoff-14. Wir betrachten nachfolgend einige charakteristische Beispiele.

Durch Bestrahlung von Atomkernen lassen sich Radionuklide auch künstlich herstellen. Die Anzahl der gegenwärtig bekannten künstlichen Radionuklide liegt bei etwa 2.700. Auch diese Radionuklide zerfallen spontan.

Zerfallsreihen

Bei in der Natur vorkommenden Radionukliden sind die entstehenden Folgekerne häufig wieder radioaktiv, sodass in der Natur ganze Zerfallsreihen existieren, die man aks natürliche Zerfallsreihen bezeichnet. Viele natürliche Radionuklide lassen sich in eine der vier natürlichen Zerfallsreihen einordnen:

Als Beispiel betrachten wir die Uran-Radium-Reihe (Bild 4). Ausgangspunkt ist das Uranisotop Uran-238. Es zerfällt unter Abgabe von Alphastrahlung, der Folgekern ist Betastrahler usw. Schließlich entsteht nach einer Reihe von Kernumwandlungen das stabile Blei-206.

In Bild 5 sind alle natürlichen radioaktiven Zerfallsreihen mit ihren Halbwertszeiten angegeben. Nur drei dieser Reihen spielen in der Natur noch eine wesentliche Rolle. Die Neptunium-Reihe hat eine vergleichsweise geringe Halbwertszeit - gemessen am Alter der Erde. Sie hat heute praktisch keine Bedeutung mehr.