Clusterzerfall

Der Clusterzerfall (auch 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. 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. 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.

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. 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. Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 und 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.

stattfindender 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	57,761	24,61
232Th → 208Hg + 24Ne	-	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	60,410	23,23
230U  → 208Pb + 22Ne	Z=82, N=126	61,387	19,57
232U  → 208Pb + 24Ne	Z=82, N=126	62,309	21,08
232U  → 204Hg + 28Mg	-	74,318	> 22,26
233U  → 209Pb + 24Ne	Z=82	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	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	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	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	76,823	25,70
240Pu → 206Hg + 34Si	N=126; N=20	91,191	25,27
241Am → 207Tl + 34Si	N=126; N=20	93,927	> 24,41
242Cm → 208Pb + 34Si	Z=82, N=126; N=20	96,510	23,15

In der Karlsruher Nuklidkarte von 2018 sind 20 Radionuklide aufgeführt, die neben dem dominierenden Alphazerfall auch Clusteremission aufweisen:

• Francium-221,
• Radium-221 bis 224 und 226,
• Actinium-223 und 225,
• Thorium-228 und 230,
• Protactinium-231,
• Uran-230 und 232 bis 236,
• Plutonium-236 und 238 und
• Curium-242.

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.

Reaktion	Verzweigungs- verhältnis (%)	E (MeV)	Cluster	Geschw. (km/s)	Tochter­kern	Geschw. (km/s)
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{210}Pb+{}_{10}^{24}Ne}$	0,9·10−9	60,485	Neon-24	020.866	Blei-210	002.390
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{208}Pb+{}_{10}^{26}Ne}$	0,9·10−9	60,776	Neon-26	020.024	Blei-208	002.503
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 80}^{206}Hg+{}_{12}^{28}Mg}$	1,4·10−9	74,225	Magne­sium-28	021.222	Queck­silber-206	002.884
Zum Vergleich: Alpha-Zerfall
$\mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 90}^{230}Th+\alpha }$	≈100	04,859	Helium-4	016.567	Thorium-230	000.264

Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle

Die rechts stehende Tabelle gibt eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle mit folgenden Angaben:

• der  stattfindende Cluster-Zerfall  mit beteiligten Kernen: Mutterkern → Tochterkern + Cluster ,

• als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende  Magische Zahl(en) ,

• die auf Grund des Massendefekts freiwerdende Energie  E  in MeV: $\ \ \ E=(m_{\text{Mutterkern}}-m_{\text{Tochterkern}}-m_{\text{Cluster}})\cdot c^{2}$ ,

• dekadischer Logarithmus der fiktiven partiellen Halbwertszeit in Sekunden:  $\lg \mathrm {T} _{1/2}\,/\,{\mathrm {s} ec}$ .

Entstehende Clusterkerne:

Ele­ment	Neutronenzahl
	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146
87Fr		14C
88Ra	14C	14C	14C	14C		14C
89Ac		14C 15N		14C
90Th				18O		20O		24Ne		24Ne 26Ne
91Pa								23F 24Ne
92U						22Ne		24Ne 28Mg	24Ne 25Ne 28Mg	24Ne 26Ne 28Mg	24Ne 25Ne 28Mg 29Mg	24Ne 26Ne 28Mg 30Mg
93Np												30Mg
94Pu										28Mg		28Mg 30Mg 32Si		34Si
95Am														34Si
96Cm														34Si

Entstehende Tochterkerne (meist Blei, Quecksilber, selten Thallium, Bismut)

Ele­ment	Neutronenzahl
	133	134	135	136	137	138	139	140	141	142	143	144	145	146
87Fr		207Tl
88Ra	207Pb	208Pb	209Pb	210Pb		212Pb
89Ac		209Bi 208Pb		211Pb
90Th				208Pb		208Pb		206Hg		208Hg 206Hg
91Pa								208Pb 207Tl
92U						208Pb		208Pb 204Hg	209Pb 208Pb 205Hg	210Pb 208Pb 206Hg	211Pb 210Pb 207Hg 206Hg	212Pb 210Pb 208Hg 206Hg
93Np												207Tl
94Pu										208Pb		210Pb 208Pb 206Hg		206Hg
95Am														207Tl
96Cm														208Pb

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.

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).