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 Kernspaltung und Kernfusion sind unter den entsprechenden Stichwörtern zu finden. Fusionsprozesse finden als natürliche Prozesse im Inneren von Sternen und Sonnen statt. Die Kernspaltung wird heute schon in Atomkraftwerken zur Energiegewinnung genutzt, was bei der Kernfusion leider noch nicht möglich ist. Auch für militärische Zwecke wurden die Kernspaltung (Atombombe) und die Kernfusion (Wasserstoffbombe) bereits genutzt.

Spontane radioaktive Zerfallsreaktionen finden in geringem Maß in der Natur statt. Der Spontanzerfall und die damit verbundene Radioaktivität in unserer Umwelt führt dazu, dass wir ständig einer schwachen radioaktiven Strahlung ausgesetzt sind (siehe unten).

Künstliche Kernumwandlungen

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

1. Die erste künstliche Kernumwandlung wurde 1919 von ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) realisiert (Bild 1). 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 (Bild 3). 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 folgendem Reaktionsschema:

$\begin{array}{l}{}_{\text{1}}{}^{\text{1}}\text{H}\text{+}{}_{\text{1}}{}^{\text{1}}\text{H}\stackrel{}{\to }{}_{\text{1}}{}^{\text{2}}\text{D}\text{+}{}_{\text{+1}}{}^{\text{0}}\text{e}\\ {}_{\text{1}}{}^{\text{2}}\text{D}\text{+}{}_{\text{1}}{}^{\text{1}}\text{H}\stackrel{}{\to }{}_{\text{2}}{}^{\text{3}}\text{H}\text{e +}\gamma \text{-Strahlung}\\ {}_{\text{2}}{}^{\text{3}}\text{H}\text{e +}{}_{\text{2}}{}^{\text{3}}\text{H}\text{e}\stackrel{}{\to }{}_{\text{2}}{}^{\text{4}}\text{H}\text{e + 2}{}_{\text{1}}{}^{\text{1}}\text{H}\end{array}$

Durch künstliche Kernumwandlungen konnten bisher ungefähr 2 700 künstliche Radionuklide erzeugt werden. Diese sind jedoch meist instabil und zerfallen spontan in stabilere Nuklide.

Spontanzerfall - eine Form der Kernumwandlung

Instabile Nuklide wandeln sich freiwillig unter Freisetzung von Energie in Form radioaktiver Strahlung in neue Nuklide um. Diese Form der freiwilligen 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 bzw. Isotope bekannt, von denen etwa 50 spontan zerfallen und deshalb radioaktiv sind. Das schwerste stabile Nuklid ist Bismut-209. Alle schwereren Nuklide stabilisieren sich durch verschiedene radioaktive Zerfallsreaktionen.

Dabei unterscheidet man zwischen

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

Beispiele für spontane radioaktive Zerfallsreaktionen

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

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.

Von allen natürlichen radioaktiven Zerfallsreihen spielen nur drei in der Natur noch eine wesentliche Rolle. Die Neptunium-Reihe hat eine vergleichsweise geringe Halbwertszeit - gemessen am Alter der Erde. Dadurch ist der Zerfall schon so weit fortgeschritten, dass diese Reihe heute kaum noch praktische Bedeutung besitzt.