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Nuklidkarte – Isotope, Elemente und Nuklide
Damit wir mit der Nuklidkarte auch richtig im Mikrokosmos navigieren können, schauen wir uns zuerst die Bezeichnungen der verschiedenen Stationen an: Atome, Elemente, Nuklide, Isotope und Ionen gehören ins Vokabular der Teilchenphysiker, die mit dieser Karte arbeiten.
Atome sind kleine Teilchen, aus denen unsere Welt aufgebaut ist. Sie selbst bestehen wiederum aus Elektronen (negativ geladene Teilchen) in ihrer Hülle, sowie Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (Teilchen ohne Ladung) in ihrem Kern. Anhand der Protonen- und Neutronenzahl kannst Du ein bestimmtes Nuklid erkennen.
Unter einem Nuklid versteht man die Bezeichnung von Atomen anhand ihrer Anzahl an Protonen und Neutronen im Kern. Diese Zahl wird als Massenzahl A bezeichnet. Die Zahl der Protonen allein heißt in der Fachsprache Ordnungszahl Z oder auch Kernladungszahl.
\[^A_Z X\]
X: Abkürzung des Nuklids
A: Massenzahl (Anzahl Protonen + Neutronen)
Z: Ordnungszahl (Anzahl Protonen)
Was ist nun aber der Unterschied zwischen einem Nuklid und einem Element?
Im Gegensatz zu Nukliden betrachten Elemente nur die Anzahl der Protonen im Kern. Jedes Mal, wenn Du ein weiters Proton hinzufügst, erhältst Du ein neues Element bis hoch zu 118 Protonen.
Auf der Erde kommen tatsächlich nur Elemente mit einer Protonenzahl zwischen 1 und 94 natürlich vor. Damit ist Plutonium (Pu) mit 94 Protonen das schwerste natürlich vorkommende Element:
\[^{244}_{94}Pu\]
Schwerere Elemente konnten bisher nur im Labor hergestellt werden.
Wie die Entstehung neuer Elemente in der Sonne funktioniert und dadurch Leben auf der Erde erst möglich macht, erfährst Du in unserer Erklärung zur Kernfusion.
Die Anzahl der Elektronen in einem Atom ist normalerweise genauso groß wie die der Protonen. Deshalb sind Atome neutral geladen. Die Anzahl der Neutronen in einem Element kann allerdings variieren, das wird als Isotop bezeichnet.
Auch die Anzahl der Elektronen kann variieren, dann spricht man von einem positiv oder negativ geladenen Ion.
Atome mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Anzahl an Neutronen im Kern, werden als Isotope eines Elements bezeichnet.
Die folgende Tabelle gibt Dir einen Überblick über die verschiedenen Bezeichnungen zu den Atomen:
| Atom | Nuklide | Element | Isotop | Ion |
| Teilchen, welches selbst aus Protonen, Neutronen im Kern und Elektronen in der Hülle besteht. | Einteilung von Atomen anhand ihrer Anzahl an Protonen und Neutronen. | Einteilung von Atomen anhand ihrer Protonenzahl. | Atome eines Elements mit gleicher Protonenzahl, aber unterschiedlicher Neutronenzahl. | Atome mit mehr oder weniger Elektronen in der Hülle. |
Anhand dieser Tabelle siehst Du, dass der Begriff Nuklid alle Elemente und alle Isotope eines Elements umfasst. Deshalb wird die Nuklidkarte häufig auch als Isotopentafel bezeichnet. Sie gibt Orientierung über die Massenzahl, verschiedene Zerfallsprozesse und Halbwertszeiten der Nuklide.
Nuklidkarte – Definition
Soweit derzeit bekannt ist, gibt es in unserem Universum etwa 118 verschiedene Elemente, 300 stabile Isotope und über 2400 radioaktive Isotope. Sich diese zu merken und deren besondere Eigenschaften und Beziehungen zueinander auswendig zu können, ist fast unmöglich.
Deshalb gibt es die Nuklidkarte, die all diese Elemente und Isotope schematisch nach ihren Eigenschaften ordnet.
Die Nuklidkarte (auch Isotopenkarte oder Isotopentafel) ist eine zweidimensionale schematische Anordnung der verschiedenen Nuklide anhand ihrer Eigenschaften.
Die folgende Abbildung zeigt, wie die vollständige Nuklidkarte aussieht:
Abb. 1 - Die Nuklidkarte
Jedes der farblichen Kästchen ist dabei ein Nuklid und anhand seiner Position kannst Du auf seine Eigenschaften schließen. Damit ist die Nuklidkarte für die Kernphysik und Nuklearmedizin das, was das Periodensystem der Elemente für die Chemie ist.
Es gibt einen wichtigen Unterschied zwischen dem Periodensystem der Elemente und der Nuklidkarte:
Im Periodensystem der Elemente wird die Anzahl der Protonen im Kern sowie andere Informationen zu den einzelnen Elementen angezeigt.
Anders ist es bei der Nuklidkarte: Sie zeigt die Protonen- und Neutronenanzahl im Kern an und gibt Auskunft über die Halbwertszeit und die Zerfallsart von einzelnen Nukliden.
Nuklidkarte lesen – Wasserstoff
Auf den ersten Blick scheint die Nuklidkarte aufgrund ihrer zahlreichen Einträge ein wenig unübersichtlich. Doch ihrem Aufbau liegt ein gut durchdachtes Schema zugrunde, mit dessen Hilfe Du die Nuklidkarte lesen kannst.
Wie ein Graph aus der Mathematik, besitzt auch die Nuklidkarte eine horizontale x-Achse und eine vertikale y-Achse, allerdings nur im positiven Bereich. An der x-Achse kannst Du die Zahl der Neutronen N im Kern des Nuklids ablesen. An der y-Achse findest Du die Anzahl der Protonen P des jeweiligen Nuklids.
Der Aufbau einer Nuklidkarte folgt einem bestimmten Schema, wobei Du die Anzahl der Neutronen N eines Nuklids auf der x-Achse und die Protonenzahl P eines Nuklids auf der y-Achse, ablesen kannst.
Wenn Du also ein bestimmtes Element suchst, findest Du es entsprechend am Schnittpunkt von seiner Protonen- und Neutronenzahl. Ein Nuklid entspricht also gewissermaßen einem Punkt auf dem Koordinatensystem. Die x-Koordinate ist seine Neutronen-, die y-Achse seine Protonenzahl: ( N , P ).
Angenommen, Du suchst nach dem einfachsten Element mit nur einem Proton und keinem Neutron. Damit beginnst Du unten links, wo sich x- und y-Achse im Nullpunkt schneiden. Nun gehst Du die Anzahl der Neutronen nach rechts, die der Protonen nach oben, in unserem Beispiel also 0 Einheiten nach rechts und 1 nach oben:
Abb. 2 - Wasserstoff und seine Isotope auf der Nuklidkarte
Dein gesuchtes Element ist Wasserstoff. Wie die obige Abbildung zeigt, befinden sich rechts neben Wasserstoff noch zwei weitere Nuklide mit derselben Protonenzahl, jedoch höherer Neutronenzahl. Das sind die Isotope von Wasserstoff: Deuterium mit einem Neutron und Tritium mit zwei Neutronen.
Die folgende Abbildung gibt Dir darüber einen Überblick:
Abb. 3 - Die drei Isotope von Wasserstoff
Die drei Isotope von Wasserstoff besitzen alle ein Proton und sind aufsteigend nach ihrer Massenzahl benannt (griech. deuteros = der zweite und tritos = der Dritte ). Je mehr Neutronen ein Nuklid besitzt, desto höher ist seine Massenzahl und desto schwerer ist es. Diese Isotope kommen in der Natur seltener vor als leichte Isotope. Das am häufigsten natürlich vorkommende Isotop von Wasserstoff heißt Protium und besitzt keine Neutronen.
Das Symbol vor dem Isotop Tritium zeigt, dass es sich um ein radioaktives Nuklid handelt. Tritium kann also spontan einen Zerfallsprozess durchlaufen. Durch Beta-Zerfall wird aus Tritium ein stabiler Helium-3 Kern.
Anhand des Beispiels von Wasserstoff siehst Du auch, dass sich die Isotope eines Elements (Nuklide mit derselben Protonen-, aber unterschiedlicher Neutronenzahl) in der Nuklidkarte immer horizontal nebeneinander befinden. Nuklide mit derselben Neutronenzahl, jedoch unterschiedlicher Protonenzahl, befinden sich vertikal innerhalb einer Spalte. Diese werden als Isotone bezeichnet.
Nuklidkarte – Zerfallsreihen Alpha- & Beta - Zerfall
Die meisten Nuklidkarten sind bunt eingefärbt und besitzen eine sogenannte Legende. Anhand der Farben kannst Du erkennen, auf welche Weise das Nuklid zerfällt.
In der Nuklidkarte sind die Zerfallsarten der verschiedenen Kerne, bei denen sich die Anzahl der Kernteilchen (Protonen oder Neutronen) ändert, farblich markiert. Bei diesem radioaktiven Zerfall entstehen durch die Aussendung von Strahlung neue Nuklide.
Generell kannst Du in der Nuklidkarte Alphazerfall und Betazerfall erkennen. Beim Alphazerfall (\(\alpha\)- Zerfall) sendet ein Nuklid ein Alphateilchen aus. Dieses besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen.
Den Beta-Zerfall unterscheidest Du in \(\beta^+\) - Zerfall und \(\beta^-\)- Zerfall. Beim ersteren wandelt sich ein Proton in ein Neutron um und der Kern sendet ein Positron aus. Beim \(\beta^-\)- Zerfall läuft genau der umgekehrte Prozess ab, wobei der Kern ein Elektron emittiert.
Der-Zerfall (Gammazerfall) wird in der Nuklidkarte nicht angegeben, da diese Zerfallsart keine Änderung der Protonenanzahl und Neutronenanzahl mit sich führt.
Falls Dich diese Zerfallsarten interessieren, findest Du mehr Information in der Erklärung zum Alpha- und Betazerfall.
Schauen wir uns zu den verschiedenen Zerfallsarten einen Ausschnitt aus der Nuklidkarte an:
Abb. 4 - Ausschnitt der Nuklidkarte
Bei den schwarzen Nukliden handelt es sich um die stabilen Kerne. Die Nuklide oberhalb dieser schwarzen Linie sind rot gefärbt. Laut der Legende findet bei ihnen also der Beta-plus - Zerfall statt. Unterhalb der diagonalen Linie aus stabilen Kernen befinden sich jene, die durch Beta-Minus-Zerfall zerfallen, in blau.
Mehrere Farben bei einem Nuklid bedeuten, dass dieses Nuklid mehrere Zerfallsprozesse durchlaufen kann.
Die gelben Nuklide zerfallen durch Alphazerfall. Anhand der Karte kannst Du nun erkennen, dass vor allem schwere Kerne rechts oben – mit hoher Proton- und Neutronenzahl – von Alphazerfall betroffen sind.
Wenn ein Nuklid mehrere farbliche Hinterlegungen hat, so zerfällt dieses mit gewissen Wahrscheinlichkeiten durch die angegebenen Zerfälle. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung kannst Du daran erkennen, wie groß der Anteil der jeweiligen Farbe ist.
Nuklidkarte – Zerfallsreihen
Mithilfe von Zerfallsreihen kannst Du den radioaktiven Zerfall eines Nuklids nachverfolgen. Durch die Änderung der Anzahl oder Art der Kernteilchen entstehen nämlich neue Nuklide.
Wenn ein Nuklid Alphazerfall unterläuft, verliert es zwei Protonen und Neutronen. Da Elemente über ihre Anzahl an Protonen definiert sind, entsteht somit ein neues Element. Zum Beispiel wird das Isotop Uranium - 238 in diesem Prozess zu Thorium - 234. Dies wird durch die folgende Gleichung beschrieben:
\[^{238}_{92}U\rightarrow ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He\]
Du siehst, dass sich die Massenzahl (oben) von 238 bei Uranium (U) auf 234 bei Thorium (Th) ändert. Die Differenz von 4 Kernteilchen stecken im Heliumkern (He), der als Alphateilchen ausgesendet wird. Genauso ändert sich auch die Protonenzahl von 92 auf 90, wodurch aus Uranium ein neues Element entsteht.
Doch nach Thorium ist noch nicht Schluss. Das Thorium-Isotop ist selbst radioaktiv und zerfällt durch \(\beta^-\) - Zerfall weiter in ein Isotop von Protaktinium. Dieser Zerfall geht weiter, bis schließlich Blei als stabiles Nuklid entsteht. Diese Abfolge nennt sich Zerfallsreihe.
Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. So erhältst du eine Abfolge mehrerer Stoffe, ausgehend von einem radioaktiven Isotop, bis hin zu einem stabilen Isotop. Anhand der Nuklidkarte erfährst Du welches Element nach dem Zerfall vorliegt, indem Du eine gewisse Anzahl an Kästchen in eine vorgegebene Richtung weitergehst:
- Alpha-Zerfall: zwei Kästchen diagonal nach links unten
- Beta-Minus-Zerfall: ein Kästchen diagonal nach rechts oben
- Beta-Plus-Zerfall: ein Kästchen diagonal nach links oben
Diese Zerfallsreihe kannst Du also mit Hilfe der Nuklidkarte nachvollziehen. Dabei beginnst Du beim Ursprungsnuklid, dem sogenannten Mutternuklid, und folgst den farblichen Markierungen der Nuklidkarte zum sogenannten Tochternuklid. Dieses Vorgehen zeigt Dir die folgende Abbildung:
Abb. 5 - Schema der Zerfallsprozesse in der Nuklidkarte
Dazu erinnern wir uns, wie die Nuklidkarte aufgebaut ist: die Protonenzahl befindet sich auf der y-Achse, die Neutronenzahl auf der x-Achse. Wenn also ein Element durch Alphazerfall zwei Protonen und zwei Neutronen verliert, gehst Du zunächst vom Mutternuklid zwei Felder nach links. Somit landest Du bei einem Isotop des Elements, welches zwei Neutronen weniger besitzt. Anschließend gehst Du zwei Kästchen nach unten, um zu dem Element zu kommen, welches zwei Protonen weniger besitzt.
Wie Du auf der obigen Abbildung siehst, entspricht dies einer Änderung der Position durch zwei Kästchen schräg nach unten. Dabei kannst Du Dich auch an der Legende und den farblichen Markierungen orientieren. Die folgende Tabelle fasst Dir das auch nochmal prägnant zusammen:
| Vorgang im Kern | Beschreibung | Änderung in der Nuklidkarte | Farbliche Markierung |
| \[\alpha-Zerfall\] | Abgabe eines Alpha-Teilchens(2 Protonen und 2 Neutronen) | zwei Kästchen diagonal nach links unten | gelb |
| \[\beta^+-Zerfall\] | Umwandlung eines Protons in ein Neutron | ein Kästchen diagonal nach rechts unten | rot |
| \[\beta^--Zerfall\] | Umwandlung eines Neutrons in ein Proton | ein Kästchen diagonal nach links oben | blau |
Manchmal benutzen unterschiedliche Nuklidkarten, verschiedene Farbsysteme. Schau deshalb am besten in der Legende nach.
So kannst Du Zerfallsreihen für verschiedene Nuklide aufstellen. Im Abschluss findest Du hierzu noch eine Aufgabe.
Nuklidkarte – Aufgabe
Zuvor hast Du gelernt, wie Uran zu Thorium zerfällt. Nun siehst Du die Zerfallsreihe für ein weiteres radioaktives Nuklid: Neptunium.
Aufgabe:
Ergänze anhand des folgenden Ausschnitts einer Nuklidkarte die weitere Zerfallsreihe von Neptunim-237 bis zum Nuklid Radium(Ra) - 225 auf:
\[^{237}_{93}Np\rightarrow ?\rightarrow ?\rightarrow ?\rightarrow ^{225}_{88}Ra\]
Ordne dafür die folgenden 3 Nuklide in die Zerfallsreihe ein und gib jeweils an, um welche Zerfallsart es sich handelt: \(^{233}_{92}U,\,^{233}_{91}Pa, \,^{229}_{90}Th \) .
Die Nuklide sind hier nicht in der richtigen Reihenfolge aufgelistet.
Abb. 6 - Aufgabe zur Nuklidkarte
Lösung:
Du kannst damit beginnen, die Zerfallsprozesse durch Pfeile einzutragen. Dazu beginnst Du beim Mutternuklid Neptunium und erkennst anhand der Farbe, durch welchen Prozess es zerfällt. Gelb bedeutet nach der Legende Alphazerfall. Entsprechend gehst Du diagonal zwei Nuklide nach links unten.
Das resultierende Nuklid besitzt nun zwei Protonen sowie zwei Neutronen weniger. In der Liste der gegebenen Nuklide suchst Du also nach dem Nuklid, dessen Massenzahl um vier kleiner \((237-4=233)\) ist als die von Neptunium und dessen Kernladungszahl um zwei kleiner \(93-2=91\) ist. Sowohl Uranium (U), als auch Palladium (Pa) besitzen die Massenzahl 233, allerdings besitzt Uranium ein Proton zu viel:
\[^{237}_{93}Np\rightarrow ^{233}_{91}Pa\rightarrow ?\rightarrow ?\rightarrow ^{225}_{88}Ra\]
Genauso gehst Du bei allen weiteren Nukliden vor. Palladium ist blau, deshalb handelt es sich um \(\beta^-\) - Zerfall. Bei dieser Zerfallsart wird ein Neutron zu einem Proton. Das neue Element besitzt also dieselbe Massenzahl und eine um 1 Proton höhere Kernladungszahl. Das ist Uranium:
\[^{237}_{93}Np\rightarrow ^{233}_{91}Pa\rightarrow ^{233}_{92}U\rightarrow ?\rightarrow ^{225}_{88}Ra\]
Uranium zerfällt erneut durch Alphazerfall. Du gehst also diagonal zwei Nuklide nach rechts unten. Die Massenzahl ist wieder um vier kleiner, beträgt also 229. Die Kernladungszahl sollte mit zwei Protonen weniger 90 betragen. Du landest also bei Thorium (Th):
\[^{237}_{93}Np\rightarrow ^{233}_{91}Pa\rightarrow ^{233}_{92}U\rightarrow ^{229}_{90}Th\rightarrow ^{225}_{88}Ra\]
Anhand der gelben Farbe weißt Du, dass Thorium durch Alphazerfall zu Radium (Ra) wird und hast somit die Zerfallsreihe vervollständigt. Auf Deiner Nuklidkarte sieht dies folgendermaßen aus:
Abb. 7 - Lösung zur Aufgabe
Nuklidkarte – Das Wichtigste
- Ein Nuklid X wird durch die Zahl an Protonen und Neutronen in einem Atom bestimmt. Seine Massenzahl A gibt die Anzahl an Kernteilchen an, während Du durch seine Ordnungszahl Z die Protonenzahl ermitteln kannst: \(^A_Z X\)
- Als Isotope bezeichnest Du Atome mit derselben Protonenzahl (Elemente) und unterschiedlicher Neutronenzahl.
- Die Nuklidkarte (auch Isotopenkarte oder Isotopentafel) ist eine zweidimensionale Grafik der verschiedenen Nuklide. Mit dieser kannst Du zum Beispiel Aussagen über die Zerfallsart eines Nuklids treffen.
- Auf der x-Achse der Nuklidkarte findest Du die Neutronenzahl, auf der y-Achse die Protonenzahl.
- In der Nuklidkarte sind die Zerfallsarten der verschiedenen Kerne, bei denen sich die Anzahl der Kernteilchen (Protonen oder Neutronen) ändert, farblich markiert.
- Bei Alphazerfall wird ein Helium-4-Kern (Alphateilchen) ausgesendet, dabei verliert das Nuklid zwei Neutronen und zwei Protonen. Auf der Nuklidkarte gehst Du zwei Nuklide diagonal nach links unten.
- Beim Beta-Plus-Zerfall wird ein Proton zu einem Neutron und ein Positron ausgesandt. Dabei gehst Du ein Nuklid diagonal nach rechts unten.
- Beim Beta-Minus-Zerfall wird ein Neutron zu einem Proton und ein Elektron ausgesandt. Dabei gehst Du ein Nuklid diagonal nach links oben.
- Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge der nacheinander entstehenden Produkte eines radioaktiven Zerfalls. So erhältst Du eine Abfolge mehrerer Stoffe, ausgehend von einem radioaktiven Isotop bis hin zu einem stabilen Isotop. Du kannst Zerfallsreihen mithilfe der Nuklidkarte ermitteln.
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Nuklidkarte
Was zeigt die Nuklidkarte?
Die Nuklidkarte zeigt dir, die Massezahl der Nuklide, sowie die Neutronen- und Protonenzahl im Kern des Nuklids. Außerdem gibt dir die Nuklidkarte Auskunft darüber, wie ein radioaktives Nuklid zerfällt oder ob das Nuklid stabil ist. Anhand der Nuklidkarte kannst du die spezifische Halbwertszeit der einzelnen Nuklide ablesen.
Was bedeuten die Farben in der Nuklidkarte?
Die farbliche Markierungen in der Nuklidkarte geben dir Auskunft darüber, wie ein radioaktives Nuklid zerfällt oder ob das Nuklid stabil ist. Was welche Farbe in der Nuklidkarte bedeutet, kannst du der Legende der jeweiligen Nuklidkarte entnehmen.
Wie benutzt man eine Nuklidkarte?
Die Nuklidkarte benutzt du, indem du anhand der Spalten die Neutronenzahl ablesen kannst und anhand der Zeilen die Protonenzahl. Je nach Veränderung der Anzahl der Protonen und/oder Neutronen veränderst du die Spalte/Zeile die du betrachtest.
Wie funktioniert die Zerfallsreihe?
Die Zerfallsreihe gibt dir eine Abfolge von den einzelnen Zerfallsprozessen und Produkten dieser Zerfälle bis hin zu einem stabilen Isotop.
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