Clusterzerfall

Ein Clusterzerfall (oder Clusteremission, englisch cluster decay) 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.^[1] 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.^[2] 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:

\mathrm {{}_{\ 88}^{223}Ra\to {}_{\ 82}^{209}Pb+{}_{\ 6}^{14}C}

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.^[3] Der Name „Cluster“ (engl. cluster, 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.^[4] 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)
Zerfall	Verzweigungs- verhältnis	E (MeV)	Cluster	Tochterkern
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{210}Pb+{}_{10}^{24}Ne}$	0,9·10⁻⁹	60,485	020.866	002.390
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{208}Pb+{}_{10}^{26}Ne}$	0,9·10⁻⁹	60,776	020.024	002.503
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 80}^{206}Hg+{}_{12}^{28}Mg}$	1,4·10⁻⁹	74,225	021.222	002.884
Zum Vergleich: Alpha-Zerfall
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 90}^{230}Th+\alpha }$	≈100	04,859	016.567	000.264

Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle

Die Tabellen geben eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle.^[5]^[6]

Tochterkern			²⁰⁴Hg	²⁰⁵Hg	²⁰⁶Hg	²⁰⁷Hg	²⁰⁸Hg	²⁰⁷Tl	²⁰⁷Pb	²⁰⁸Pb	²⁰⁹Pb	²¹⁰Pb	²¹¹Pb	²¹²Pb	²⁰⁹Bi	²¹¹Bi
Mutter- kern	1Z1		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	Magische Zahl(en)	E (MeV)	$\lg {\frac {T_{1/2}}{\mathrm {s} }}$
²²¹Fr → ²⁰⁷Tl + ¹⁴C	N=126; N=8	31,292	14,52
²²¹Ra → ²⁰⁷Pb + ¹⁴C	Z=82; N=8	32,395	13,39
²²²Ra → ²⁰⁸Pb + ¹⁴C	Z=82, N=126; N=8	33,049	11,01
²²³Ra → ²⁰⁹Pb + ¹⁴C	Z=82; N=8	31,828	15,20
²²⁴Ra → ²¹⁰Pb + ¹⁴C	Z=82; N=8	30,535	15,68
²²⁶Ra → ²¹²Pb + ¹⁴C	Z=82; N=8	28,196	21,19
²²³Ac → ²⁰⁹Bi + ¹⁴C	N=126; N=8	33,064	12,60
²²³Ac → ²⁰⁸Pb + ¹⁵N	Z=82, N=126; N=8	39,473	> 14,76
²²⁵Ac → ²¹¹Bi + ¹⁴C	N=8	30,476	17,16
²²⁶Th → ²⁰⁸Pb + ¹⁸O	Z=82, N=126; Z=8	45,726	> 15,30
²²⁸Th → ²⁰⁸Pb + ²⁰O	Z=82, N=126; Z=8	44,722	20,72
²³⁰Th → ²⁰⁶Hg + ²⁴Ne	N=126; (N=14)	57,761	24,61
²³²Th → ²⁰⁸Hg + ²⁴Ne	(N=14)	54,509	> 29,20
²³²Th → ²⁰⁶Hg + ²⁶Ne	N=126	55,964	> 29,20
²³¹Pa → ²⁰⁸Pb + ²³F	Z=82, N=126	51,843	26,02
²³¹Pa → ²⁰⁷Tl + ²⁴Ne	N=126; (N=14)	60,410	23,23
²³⁰U → ²⁰⁸Pb + ²²Ne	Z=82, N=126	61,387	19,57
²³²U → ²⁰⁸Pb + ²⁴Ne	Z=82, N=126; (N=14)	62,309	21,08
²³²U → ²⁰⁴Hg + ²⁸Mg	—	74,318	> 22,26
²³³U → ²⁰⁹Pb + ²⁴Ne	Z=82; (N=14)	60,485	24,83
²³³U → ²⁰⁸Pb + ²⁵Ne	Z=82, N=126	60,776	24,84
²³³U → ²⁰⁵Hg + ²⁸Mg	—	74,225	> 27,59
²³⁴U → ²¹⁰Pb + ²⁴Ne	Z=82; (N=14)	58,825	25,92
²³⁴U → ²⁰⁸Pb + ²⁶Ne	Z=82, N=126	59,464	25,92
²³⁴U → ²⁰⁶Hg + ²⁸Mg	N=126	74,110	27,54
²³⁵U → ²¹¹Pb + ²⁴Ne	Z=82; (N=14)	57,362	27,42
²³⁵U → ²¹⁰Pb + ²⁵Ne	Z=82	57,756	27,42
²³⁵U → ²⁰⁷Hg + ²⁸Mg	—	72,158	> 28,10
²³⁵U → ²⁰⁶Hg + ²⁹Mg	N=126	72,485	> 28,09
²³⁶U → ²¹²Pb + ²⁴Ne	Z=82; (N=14)	55,944	> 25,90
²³⁶U → ²¹⁰Pb + ²⁶Ne	Z=82	56,744	> 25,90
²³⁶U → ²⁰⁸Hg + ²⁸Mg	—	70,564	27,58
²³⁶U → ²⁰⁶Hg + ³⁰Mg	N=126	72,303	27,58
²³⁷Np → ²⁰⁷Tl + ³⁰Mg	N=126	74,818	> 26,93
²³⁶Pu → ²⁰⁸Pb + ²⁸Mg	Z=82, N=126	79,669	21,67
²³⁸Pu → ²¹⁰Pb + ²⁸Mg	Z=82	75,911	25,70
²³⁸Pu → ²⁰⁸Pb + ³⁰Mg	Z=82, N=126	76,823	25,70
²³⁸Pu → ²⁰⁶Hg + ³²Si	N=126; (Z=14)	76,823	25,70
²⁴⁰Pu → ²⁰⁶Hg + ³⁴Si	N=126; N=20, (Z=14)	91,191	25,27
²⁴¹Am → ²⁰⁷Tl + ³⁴Si	N=126; N=20, (Z=14)	93,927	> 24,41
²⁴²Cm → ²⁰⁸Pb + ³⁴Si	Z=82, N=126; N=20, (Z=14)	96,510	23,15

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 $\ \ \ E=(m_{\text{Mutterkern}}-m_{\text{Tochterkern}}-m_{\text{Cluster}})\cdot c^{2}$ ,
dekadischer Logarithmus der (fiktiven) partiellen Halbwertszeit in Sekunden: $\lg T_{1/2}\,/\,{\mathrm {s} }$ .

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

↑ 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, 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.
↑ K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236.
↑ K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.
↑ 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, arxiv:1207.4384.
↑ 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.

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).

[1] 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).

[2] 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.

[3] K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236.

[4] K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.

[5] 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, arxiv:1207.4384.

[6] 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.

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