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.^[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. 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:^[5]

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^[6]^[7] 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:^[8]^[9]
Element	Neutronenzahl
Element	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
Element	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.

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 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334.
↑ 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.
↑ J. Magill, R. Dreher, Zs. Sóti: Karlsruher Nuklidkarte. 10. Auflage. Nucleonica GmbH, Karlsruhe 2018, ISBN 978-3-943868-51-7 (Wandkarte) bzw. ISBN 978-3-943868-54-8 (Faltkarte), ISBN 978-3-943868-50-0 (Begleitbroschüre).
↑ 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.
↑ D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Systematics of cluster decay modes. In: Physical Review C. Band 65, Nummer 4, 2002, S. 054308, doi:10.1103/PhysRevC.65.054308.
↑ D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Erratum: Systematics of cluster decay modes, [Phys. Rev. C 65, 2002, S. 054308]. In: Physical Review C. Band 66, Nummer 4, 2002, S. 049902(E), doi:10.1103/PhysRevC.66.049902.

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 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334.

[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] J. Magill, R. Dreher, Zs. Sóti: Karlsruher Nuklidkarte. 10. Auflage. Nucleonica GmbH, Karlsruhe 2018, ISBN 978-3-943868-51-7 (Wandkarte) bzw. ISBN 978-3-943868-54-8 (Faltkarte), ISBN 978-3-943868-50-0 (Begleitbroschüre).

[6] 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.

[7] 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.

[8] D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Systematics of cluster decay modes. In: Physical Review C. Band 65, Nummer 4, 2002, S. 054308, doi:10.1103/PhysRevC.65.054308.

[9] D. N. Poenaru, Y. Nagame, R. A. Gherghescu, W. Greiner: Erratum: Systematics of cluster decay modes, [Phys. Rev. C 65, 2002, S. 054308]. In: Physical Review C. Band 66, Nummer 4, 2002, S. 049902(E), doi:10.1103/PhysRevC.66.049902.

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