Nukleare Stabilität

Ein Kern enthält den größten Teil der Masse eines Atoms und ist im Vergleich zum gesamten Atom winzig. Die durchschnittliche Kerndichte ist neun Billionen Mal größer als die Dichte von Osmium: dem dichtesten Element!

Die Erde wäre 30.000 Mal kleiner, wenn sie die Dichte des Kerns hätte. Warum hat der Zellkern eine so hohe Dichte?

Die Nukleonen werden durch die im Nahbereich starke Kernkraft zusammengehalten. Das Gleichgewicht zwischen den Proton-Proton-Abstoßungen und den Nukleon-Nukleon-Anziehungskräften bestimmt die Stabilität des Kerns. Wenn die Proton-Proton-Abstoßungen die anziehenden Kernkräfte überwiegen, zerfällt der Kern.

Die Darstellung der Nuklide anhand der Anzahl der Protonen und Neutronen zeigt, dass die stabilen Kerne eine zentrale Region einnehmen, die blau markiert ist und als Gürtel oder Tal der Stabilität bezeichnet wird.

Leichtere Nuklide mit einem Neutronen-Proton-Verhältnis von eins, wie Kohlenstoff-12, weisen eine hohe Stabilität auf. Wenn die Ordnungszahl über 20 steigt, werden mehr Neutronen benötigt, um die Proton-Proton-Abstoßungen auszugleichen.

Neutronen werden durch Kernkräfte aneinander gezogen, während es keine abstoßenden Wechselwirkungen zwischen ihnen gibt. Eine Erhöhung der Anzahl von Neutronen stärkt also die Kernkraft erheblich. Alle stabilen, schwereren Nuklide haben ein Neutronen-Proton-Verhältnis von mehr als eins.

Radionuklide mit einem höheren Neutronen-Proton-Verhältnis durchlaufen typischerweise einen Beta-Minus-Zerfall, der ein Neutron in ein Proton umwandelt. Auf diese Weise nimmt das Neutronen-Proton-Verhältnis ab, um ein Tochternuklid zu erhalten, das näher am Stabilitätsgürtel auf der Grafik liegt.

Radionuklide mit niedrigeren Neutronen-Protonen-Verhältnissen emittieren Positronen oder fangen Elektronen ein, um Protonen in Neutronen umzuwandeln und so näher an den Stabilitätsgürtel zu rücken.

Interessanterweise wird genau wie bei den Elektronenpaaren, die sich in den Orbitalen befinden, auch im Kern eine Proton-Proton- und eine Neutronen-Neutronen-Paarung beobachtet. Wenn die Anzahl der Protonen und Neutronen beide gleich ist, sind die Kerne bemerkenswert stabil, da eine Paarung für alle Nukleonen möglich ist. Nur fünf Nuklide mit einer ungeraden Anzahl von Neutronen und Protonen sind stabil.

Kerne mit einer bestimmten Anzahl von Protonen oder Neutronen sind stabiler als erwartet, was dazu führt, dass diese Zahlen als magische Zahlen bezeichnet werden. Kerne mit magischen Zahlen sowohl von Protonen als auch von Neutronen werden als doppelt magisch bezeichnet.

Alle Kerne mit Ordnungszahlen größer als 82 sind radioaktiv. Wismut-209 mit der Ordnungszahl 83 hat jedoch eine außergewöhnlich lange Halbwertszeit unter den Radionukliden.

Bei einem Radionuklid, das weit vom Stabilitätsgürtel entfernt ist, ist seine Zerfallskette die Abfolge von Zerfallsprozessen, durch die es schließlich zu einem stabilen Nuklid gelangt.