Nuklidkarten helfen, den Überblick über die unzähligen natürlichen und künstlichen, stabilen und instabilen Nuklide und deren Eigenschaften zu behalten.
Die meisten der natürlich vorkommenden chemischen Elemente sind Isotopengemische, das heißt die Atomkerne enthalten bei konstanter Protonenzahl eine unterschiedliche Anzahl an Neutronen. Dabei besitzen schwerere Elemente in der Regel mehr (stabile) Isotope als solche mit niedrigerer Ordnungszahl. Es gibt sogar Elemente, die nur ein natürliches Isotop aufweisen, wie zum Beispiel Gold oder Fluor, aber diese Elemente bilden eher die Ausnahme.
Was ist eine Nuklidkarte?
Die Natur hat etwa 300 stabile Nuklide hervorgebracht. Darüber hinaus gibt eine große Zahl instabiler, also radioaktiver Nuklide, die durch unterschiedliche Prozesse in der Natur entstanden sind (und auch heute noch entstehen, beispielsweise durch die kosmische Höhenstrahlung) oder sich künstlich erzeugen lassen. Ordnungsschema für die Unmengen an Nukliden sind Nuklidkarten, die einem (erweiterten) Periodensystem ähneln. Kernphysiker finden in solchen Nuklidkarten grundlegende Eigenschaften, wie zum Beispiel Halbwertzeiten und Zerfallsdaten.
In einer Nuklidkarte stellt die horizontale Achse die Zahl der Neutronen, die vertikale Achse die Zahl der Protonen im Kern dar (vgl. Abb.). So enthält die neueste Auflage der Nuklidkarte des Forschungszentrums Karlsruhe enthält 111 Elemente und mehr als 2500 fast überwiegend instabile Nuklide sowie deren Zerfallsdaten. Interessant ist, dass das so genannte Tal der Stabilität, ein Bereich, in dem sich die natürlich vorkommenden, stabilen Nuklide befinden, zunächst die Form einer Diagonale aufweist (Neutronenzahl in etwa gleich der Protonenzahl), dann jedoch abflacht, denn schwerere Kerne enthalten, wie schon erläutert, mehr Neutronen.
Instabile Nuklide
Das Tal der stabilen Atomkerne wird begrenzt durch die Bereiche der heute bekannten instabilen Nuklide. Zum einen kommen etliche Elemente wie zum Beispiel das Radium als radioaktive Strahler in der Natur vor, zum anderen werden einige Radionuklide durch äußere Einflüsse wie beispielsweise die kosmische Strahlung ständig neu auf der Erde gebildet. Kernphysiker entdeckten zusätzlich unzählige Möglichkeiten, Isotope vieler chemischer Elemente durch Kernreaktionen oder Bestrahlung mit Neutronen aus dem Kernreaktor künstlich herzustellen, für medizinische Zwecke, um technische Probleme zu lösen oder um naturwissenschaftliche Fragestellungen zu verfolgen.
Alle künstlichen Radionuklide enthalten überschüssige Neutronen oder Protonen und zerfallen, indem sie Teilchen aussenden. Beim Zerfall hat die Natur die eindeutige Tendenz, ins stabile Tal zu gelangen, manchmal in einem Zerfallsschritt, manchmal in komplizierten Zerfallsreihen, wobei mehrere instabile Zwischenprodukte entstehen.
Wismut – ein Oldtimer mit großer Halbwertzeit
Bisher galt Wismut, das in der Natur ausschließlich als Isotop Bi-209 vorkommt, als das schwerste, noch stabile chemische Element. In den letzten Jahren konnte jedoch nachgewiesen werden, dass das spröde, rosa schimmernde Metall doch radioaktiv ist und sich unter Aussendung eines Alphateilchens in das Thallium-Isotop Tl-205 umwandelt. Die gemessene Halbwertszeit beträgt 20 Trillionen Jahre. Eigentlich waren die Forscher mit einem extrem empfindlichen Detektor, dem Bolometer, auf der Suche nach WIMPs, den Weakly Interacting Massive Particles, die als Kandidaten für die Dunkle Materie gelten. Das Experiment wurde gut abgeschirmt in einem ehemaligen Eisenbahntunnel unter den spanischen Pyrenäen aufgebaut. Das Herzstück des Detektors ist ein Kristall aus Wismut-Germanium-Oxid, der einen Zusammenstoß mit WIMPs durch Freisetzung von Licht und Wärme nachweist. WIMPs hat man bisher noch nicht nachweisen können. Während der fünf Tage dauernden Messungen fanden die Forscher jedoch insgesamt 128 Signale bei einer Teilchenenergie von 3 MeV, die dem Alphazerfall des natürlichen Wismut-Isotops im Detektor entsprechen. Das Alter der in den Sternen entstandenen Wismutkerne ist also mit etwa 1010 Jahren mehrere Milliarden Mal kleiner als ihre Halbwertszeit.
Radioaktiver Zerfall und Halbwertzeit
Abgesehen von diesem langlebigen Oldtimer endet das stabile Tal beim Uranisotop mit der Massenzahl 238. Auch U-238 stellt mit seiner vergleichsweise großen Halbwertszeit von 4,5 Milliarden Jahren ein Relikt aus der Urzeit unserer Erde dar. Radioaktive Atomkerne, auch Radionuklide genannt, zerfallen nämlich nicht alle gleichzeitig, sondern in bestimmten Zeitabständen, nach und nach mit genauem Zeitplan. Manchmal wird der radioaktive Zerfall mit dem Aufplatzen von Popcorn-Mais auf einem Backblech verglichen, wo bei konstanter Temperatur die Körner auch zu verschiedenen Zeiten nach und nach aufplatzen.
Allerdings haben beim radioaktiven Zerfall, anders als im Backofen, die äußeren Bedingungen wie Temperatur und Druck keinen Einfluss. Radioaktivität ist eine Eigenschaft des Atomkerns selbst und hängt in ihrer Art nur von seinem inneren Zustand ab. Wie schnell die Kerne eines bestimmten radioaktiven Nuklids zerfallen, beschreibt eine charakteristische Größe, nämlich die Halbwertszeit. Diese Halbwertszeit ist die Zeitspanne, in der von der ursprünglichen Substanz genau die Hälfte in einen Atomkern eines anderen Elementes zerfallen ist, von beispielsweise 1000 Atomkernen also gerade 500. Bis von den verbliebenen 500 Kernen wieder 250 zerfallen sind, vergeht nochmals die gleiche Zeitspann. Ein Versuch verdeutlicht dies: Werfen Sie 1000 Münzen, dann zeigen etwa 500 „Kopf“. Diese sortieren Sie als zerfallene Atomkerne aus. Die verbliebenen Münzen werfen Sie wieder, sortieren diesmal etwa 250 „Kopf“-Münzen aus. Das Verfahren lässt sich entsprechend fortsetzen. Jeder Wurf gilt als Äquivalent einer Halbwertszeit.
Nach der zehnfachen Halbwertszeit ist noch etwa ein Tausendstel der ursprünglichen Menge des radioaktiven Nuklids vorhanden. Die Überlegungen zeigen, dass sich kein Zeitpunkt angeben lässt, zu dem man sicher sein kann, dass wirklich alle Kerne der Ausgangssubstanz zerfallen sind. Genaugenommen weiß niemand, wann der letzte Kern zerfällt, er macht es rein zufällig. Darüber macht die Halbwertszeit auch keine Aussage, sie ist ein statistisches Konzept, das eine große Anzahl von instabilen Atomkernen voraussetzt.
Instabile Atomkerne haben sehr unterschiedliche Halbwertszeiten; sie reichen von einigen Milliarden Jahren bis zu Mikro- und Nanosekunden. Es gibt Radionuklide, die so extrem kurzlebig sind, dass sie sich praktisch kaum nachweisen lassen. Andere sind so langlebig, so wie Wismut und Uran, dass sie immer noch in merklichen Mengen auf der Erde vorkommen. Auch die Substanzen, die bei der Kernspaltung in einem Reaktor entstehen und zum Bau von Kernwaffen verwendet werden können, zeichnen sich durch extrem lange Halbwertszeiten aus. Für Plutonium-239 beträgt sie beispielsweise 24 360 Jahre. Diese Angabe verdeutlicht, wie lange radioaktive Spaltprodukte gelagert werden müssen beziehungsweise ein Kernwaffeneinsatz die betroffenen Gebiete verseuchen würde. Die Kenntnis dieser charakteristischen Halbwertszeit eines Radionuklids ist für die Beurteilung einer Strahlengefahr sowie für radiologische Untersuchungen von großer Bedeutung.