Zerfallsreihe

Eine Zerfallsreihe im allgemeinen Sinn ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. Sie bildet sich, 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 mit dem Endnuklid Blei-206,
Uran-235 die „(4n+3)-Reihe“ oder Uran-Actinium-Reihe mit dem Endnuklid Blei-207,
Thorium-232 die „(4n)-Reihe“ oder Thorium-Reihe mit dem Endnuklid Blei-208.

Thorium-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. Der Systematik zuliebe wird aber die Zerfallsreihe der künstlich erzeugbaren Nuklide Plutonium-241 oder Neptunium-237, die Neptunium-Reihe, als diese fehlende vierte Reihe betrachtet. Nur das letzte Radionuklid dieser Reihe, Bismut-209, ist wegen seiner extrem langen Halbwertszeit noch vorhanden. Es wurde 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					(Pfeile nicht maßstäblich)

Historische Bezeichnungen

In der klassischen Zeit der Erforschung der radioaktiven Zerfallsreihen – also im frühen 20. Jahrhundert – 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 allesamt Edelgase):

Aktueller Name	Historischer Name	Langversion des Namens
²³⁸U	U_I	Uran I
²³⁵U	AcU	Actinuran
²³⁴U	U_II	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

Berechnung der Konzentration von Nukliden einer Zerfallsreihe

Nuklide zerfallen nach einer Kinetik erster Ordnung (vgl. Zerfallsgesetz), so dass die zeitabhängige Konzentration eines einzelnen Nuklids recht einfach zu berechnen ist. Die Fragestellung wird deutlich komplizierter, wenn das Nuklid als Glied einer Zerfallsreihe aus Vorläufernukliden laufend nachgebildet wird. Ein kurzer und übersichtlicher Weg zur Berechnung seiner Konzentration unter dieser Voraussetzung findet sich bei Jens Christoffers (1986); der Autor gibt auch einen Algorithmus zur Programmierung der Berechnung an.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de