Primordiales Nuklid

Primordiales Nuklid

Ein Radionuklid bezeichnet man als primordial (lat. „von erster Ordnung“), wenn es schon bei der Entstehung der Erde vorhanden war und noch nicht vollständig zerfallen ist. Es kommt daher in der Natur vor, ohne dass es durch natürliche oder technische Prozesse nachgeliefert wurde. Die Bezeichnung „primordiales Radionuklid“ wird meist zu „primordiales Nuklid“ verkürzt.

Unter Annahme eines Erdalters von 4,6 Milliarden Jahren muss die Halbwertszeit eines Nuklids größer als ungefähr 50 Millionen Jahre sein, damit es noch nachgewiesen werden kann. Es kommen also 288 Nuklide in Frage. Nach aktuellem Kenntnisstand teilen sie sich in 253 stabile und 35 primordiale auf. Die nach absteigenden Halbwertszeiten geordnete Liste endet mit:

... 190Pt, 147Sm, 138La, 87Rb, 187Re, 176Lu, 232Th, 238U, 40K, 235U, 146Sm und 244Pu.

Das Plutoniumisotop 244Pu (Halbwertszeit 8,08 · 107 a) konnte mit dem Verfahren der Massenspektrometrie als primordial nachgewiesen werden.[1] Seine Halbwertszeit von knapp 81 Mio. Jahren ist im Erdalter schon 57 mal abgelaufen, es ist somit das vergänglichste primordiale Nuklid. Seine ursprüngliche Konzentration war 1,4 · 1017 mal so hoch wie heute. Sein Massenanteil in einigen Erzen liegt bei 10−18.

Das nächst vergänglichere primordiale Nuklid könnte 92Nb mit einer Halbwertszeit von 3,47 · 107 a sein; seit Entstehung der Erde sind 133 seiner Halbwertszeiten vergangen, und die ursprüngliche Häufigkeit ist so um einen Faktor 1040 abgesunken. Ein Nachweis in einer so geringen Konzentration ist derzeit nicht möglich.

Die primordialen Nuklide sind meist mit anderen, zum Teil stabilen Isotopen des gleichen Elements vermischt. Weitere wichtige primordiale Nuklide außer den oben bereits genannten sind z. B. 190Pt, 204Pb, 209Bi und 40K. Letzteres – in allen lebenden Organismen enthalten – hat eine Halbwertszeit von 1,28 Milliarden Jahren.

Die Abgrenzung zwischen stabilen und primordialen Nukliden ist wegen der langen Halbwertszeiten schwierig. Für einige theoretisch instabile Nuklide konnte der Zerfall experimentell noch nicht nachgewiesen werden. Ein Beispiel ist das metastabile Nuklid 180mTa, dessen Zerfall in den Grundzustand 180Ta noch nicht beobachtet werden konnte. Die längsten beobachteten Halbwertszeiten liegen im Bereich von Quadrillionen Jahren (128Te mit 7,2 · 1024 a).

Bei einigen primordialen Nukliden – insbesondere 235U, 238U und 232Th – ist das Zerfallsprodukt („Tochternuklid“) nicht stabil, sondern ebenfalls radioaktiv. Bei den vorgenannten Nukliden ist dies über mehrere Generationen von Tochternukliden der Fall. Haben, wie bei den vorgenannten Nukliden, die Tochternuklide kürzere Halbwertszeiten als das Ausgangsnuklid, dann stellt sich nach längerer Zeit ein säkulares Gleichgewicht ein, bei dem die Aktivität der Tochternuklide gleich der Aktivität der Mutternuklide ist. In ungestörten Gesteinen, die Uran oder Thorium enthalten, sind daher immer auch alle Tochternuklide der Uran-Radium- und Uran-Actinium-Zerfallsreihen bzw. der Thorium-Zerfallsreihe enthalten.

In manchen Nuklidkarten sind die primordialen Radionuklide besonders gekennzeichnet, z. B. in der Karlsruher Nuklidkarte durch einen schwarzen Balken oben in ihrem farbigen Feld.

Die langlebigsten primordialen Nuklide sind solche, die sich nur durch den seltenen Prozess des doppelten Betazerfalls umwandeln können, während der einfache Betazerfall bei ihnen nicht möglich ist. „Rekordhalter“ ist das erwähnte Tellur-128 mit der Halbwertszeit von 7,2 · 1024 Jahren (siehe Liste der Isotope/5. Periode); dies ist das etwa 520-Billionen-fache des Alters des Universums.

Praktische Bedeutung – in technischer Hinsicht oder als Teil der natürlichen Belastung durch terrestrische Strahlung – haben Thorium-232, Uran-238, Uran-235 und Kalium-40.

Literatur

  • Hanno Krieger: Strahlenphysik, Dosimetrie und Strahlenschutz. Band 1 Grundlagen. 4. Auflage, Springer 1998, ISBN 978-3-519-33052-3
  • Winfried Koelzer: Lexikon zur Kernenergie 2017. KIT Scientific Publishing, ISBN 978-3-7315-0631-7, Seite 167
  • Hans Volker Klapdor-Kleingrothaus und Andreas Staudt: Teilchenphysik ohne Beschleuniger. Teubner 1995, ISBN 978-3-519-03088-1

Einzelnachweise

  1. D. C. Hoffman, F. O. Lawrence, J. L. Mewherter, F. M. Rourke: Detection of Plutonium-244 in Nature. In: Nature. Bd. 234, 1971, S. 132–134 (doi:10.1038/234132a0).

Siehe auch


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