Ein Clusterzerfall (oder Clusteremission, ) ist ein sehr selten auftretender radioaktiver Zerfallstyp. Dabei wird ein leichter Atomkern emittiert, der schwerer als ein Alpha-Teilchen, aber mit 6 bis 14 Prozent der Masse des Mutterkerns wesentlich leichter als die typischen Spaltfragmente der Kernspaltung ist. Außerdem werden keine Neutronen freigesetzt.
Als emittierte Cluster beobachtet wurden bisher Kerne zwischen Kohlenstoff-14 und Silicium-34. Es handelt sich überwiegend nicht um die jeweils stabilsten Kerne zu ihrer Ordnungszahl, sondern um deren Isotope mit höherem Neutronenüberschuss, entsprechend dem Neutronenüberschuss des Mutterkerns.
Geschichte Der Clusterzerfall wurde von Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner 1980 theoretisch vorhergesagt.Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and a decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528–541 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334 (online). H. J. Rose und George Arnold Jones erbrachten 1983 an der University of Oxford den ersten experimentellen Nachweis, der Anfang 1984 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247, doi:10.1038/307245a0. Sie stellten fest, dass das Radiumisotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen) unter Emission eines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt zu Blei-209 zerfallen kann:
Art und Auftreten Der Clusterzerfall wurde bisher nur bei einigen alphastrahlenden Radionukliden mit Ordnungszahlen ab 87 (Francium) beobachtet. Aufgrund dieses Auftretens von Cluster- und Alpha-Zerfall beim gleichen Nuklid spricht man bei den betroffenen Nukliden von einem dualen Kernzerfall. Der Clusterzerfall kann kernphysikalisch als stark asymmetrische Kernspaltung verstanden werden.K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236. Der Name „Cluster“ (engl. , etwa „Klumpen“) wurde gewählt, weil das emittierte Teilchen eine „Anhäufung“ von mehr als je zwei Protonen und Neutronen ist.
Die Wahrscheinlichkeit für einen Clusterzerfall ist im Vergleich zum Alpha-Zerfall um den Faktor 109 bis 1016 geringer.K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67. Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 14. Die bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24 und Magnesium-28. Auffallend oft sind die Zerfallsprodukte Kerne mit „magischen“ Protonen- oder Neutronenzahlen, was zu einer erhöhten Stabilität führt. Im Fall der Tochterkerne sind es die Protonenzahl Z=92 (207…212Pb) und die Neutronenzahl N=126 (206Hg, 207Tl, 208Pb, 209Bi). Bei den Clustern sind es die Zahlen Z=8 (18O, 20O), N=8 (14C, 15N), N=20 (34Si) sowie die oft ebenfalls als magisch bezeichnete Zahlen Z=14 (32Si, 34Si) und N=14 (23F, 24Ne).
Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 und 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.
Bei einigen Radionukliden sind bis zu vier Möglichkeiten des Clusterzerfalls beobachtet worden, beispielsweise drei bei dem in der Natur vorkommenden Uranisotop Uran-234: die Emission eines Neon-24-, eines Neon-26- oder eines Magnesium-28-Kerns. Zerfall Verzweigungs-verhältnis E(MeV) Geschwindigkeit (km/s) Cluster Tochterkern 0,9·10−9 60,485 20.866 2.390 0,9·10−9 60,776 20.024 2.503 1,4·10−9 74,225 21.222 2.884 Zum Vergleich: Alpha-Zerfall ≈100 4,859 16.567 264
Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle
Die Tabellen geben eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle.K. P. Santhosh, B. Priyanka, M. S. Unnikrishnan: Cluster decay half lives of trans-lead nuclei within the Coulomb and proximity potential model. In: Nuclear Physics A. Band 889, 2012, S. 29–50, doi:10.1016/j.nuclphysa.2012.07.002, .Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry. Vol. 1: Basics of Nuclear Science. 2. Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-1-4419-0719-6, S. 840–841.
Tochterkern 204Hg 205Hg 206Hg 207Hg 208Hg 207Tl 207Pb 208Pb 209Pb 210Pb 211Pb 212Pb 209Bi 211Bi Mutter-kern Z 80 81 82 83 N 124 125 126 127 128 126 125 126 127 128 129 130 126 128 221Fr 87 134 14C 221Ra 88 133 14C 222Ra 134 14C 223Ra 135 14C 224Ra 136 14C 226Ra 138 14C 223Ac 89 134 15N 14C 225Ac 136 14C 226Th 90 136 18O 228Th 138 20O 230Th 140 24Ne 232Th 142 26Ne 24Ne 231Pa 91 140 24Ne 23F 230U 92 138 22Ne 232U 140 28Mg 24Ne 233U 141 28Mg 25Ne 24Ne 234U 142 28Mg 26Ne 24Ne 235U 143 29Mg 28Mg 25Ne 24Ne 236U 144 30Mg 28Mg 26Ne 24Ne 237Np 93 144 30Mg 236Pu 94 142 28Mg 238Pu 144 32Si 30Mg 28Mg 240Pu 146 34Si 241Am 95 146 34Si 242Cm 96 146 34Si
Cluster-Zerfall MagischeZahl(en) E(MeV) 221Fr → 207Tl + 14C N=126; N=831,29214,52 221Ra → 207Pb + 14C Z=82; N=832,39513,39 222Ra → 208Pb + 14C Z=82, N=126; N=833,04911,01 223Ra → 209Pb + 14C Z=82; N=831,82815,20 224Ra → 210Pb + 14C Z=82; N=830,53515,68 226Ra → 212Pb + 14C Z=82; N=828,19621,19 223Ac → 209Bi + 14C N=126; N=833,06412,60 223Ac → 208Pb + 15N Z=82, N=126; N=839,473 > 14,76 225Ac → 211Bi + 14C N=830,476 17,16 226Th → 208Pb + 18O Z=82, N=126; Z=845,726> 15,30 228Th → 208Pb + 20O Z=82, N=126; Z=844,72220,72 230Th → 206Hg + 24Ne N=126; (N=14)57,76124,61 232Th → 208Hg + 24Ne (N=14)54,509> 29,20 232Th → 206Hg + 26Ne N=12655,964> 29,20 231Pa → 208Pb + 23F Z=82, N=12651,84326,02 231Pa → 207Tl + 24Ne N=126; (N=14)60,41023,23 230U → 208Pb + 22Ne Z=82, N=12661,38719,57 232U → 208Pb + 24Ne Z=82, N=126; (N=14)62,30921,08 232U → 204Hg + 28Mg —74,318> 22,26 233U → 209Pb + 24Ne Z=82; (N=14)60,48524,83 233U → 208Pb + 25Ne Z=82, N=12660,77624,84 233U → 205Hg + 28Mg —74,225> 27,59 234U → 210Pb + 24Ne Z=82; (N=14)58,82525,92 234U → 208Pb + 26Ne Z=82, N=12659,46425,92 234U → 206Hg + 28Mg N=12674,11027,54 235U → 211Pb + 24Ne Z=82; (N=14)57,36227,42 235U → 210Pb + 25Ne Z=8257,75627,42 235U → 207Hg + 28Mg —72,158> 28,10 235U → 206Hg + 29Mg N=12672,485> 28,09 236U → 212Pb + 24Ne Z=82; (N=14)55,944> 25,90 236U → 210Pb + 26Ne Z=8256,744> 25,90 236U → 208Hg + 28Mg —70,56427,58 236U → 206Hg + 30Mg N=12672,30327,58 237Np → 207Tl + 30Mg N=12674,818> 26,93 236Pu → 208Pb + 28Mg Z=82, N=12679,66921,67 238Pu → 210Pb + 28Mg Z=8275,91125,70 238Pu → 208Pb + 30Mg Z=82, N=12676,82325,70 238Pu → 206Hg + 32Si N=126; (Z=14)76,82325,70 240Pu → 206Hg + 34Si N=126; N=20, (Z=14)91,19125,27 241Am → 207Tl + 34Si N=126; N=20, (Z=14)93,927> 24,41 242Cm → 208Pb + 34Si Z=82, N=126; N=20, (Z=14)96,51023,15 Man beachte die Häufung bei „magischen“ Tochterkernen (Z=82, N=126) und Clustern (Z=8, N=8, N=14, N=20).
Die detaillierte Liste enthält folgende Angaben: beteiligte Kerne: Mutterkern → Tochterkern + Cluster, als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende Magische Zahl(en), freigesetzte Energie E in MeV, messbar als Massendefekt , dekadischer Logarithmus der (fiktiven) partiellen Halbwertszeit in Sekunden: .
Literatur Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 1 (= Lecture Notes in Physics. Band 818). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-13898-0. Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 2 (= Lecture Notes in Physics. Band 848). Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24706-4. Doru S. Delion: Theory of Particle and Cluster Emission. (= Lecture Notes in Physics. Band 819). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-14405-9.
Einzelnachweise
Weblinks Literaturübersicht D. N. Poenaru, W. Greiner: Cluster radioactivity – past, present and future. Workshop on State of the Art in Nuclear Cluster Physics, May 13–16, 2008, Strasbourg (theory.nipne.ro PDF, 52 Seiten).
Kategorie:Radioaktivität