Nuclide

Ein Nuklid ist eine Atomart, die durch die spezifische Anzahl von Protonen und Neutronen in ihrem Kern sowie ihren Kernenergiezustand definiert ist. Der Begriff wurde 1947 vom amerikanischen Physiker Truman P. Kohman eingeführt, der es als eine „durch die Zusammensetzung ihres Kerns charakterisierte Atomspezies“ beschrieb. Diese Definition betonte ursprünglich den Kern selbst.

Das Konzept eines Nuklids unterscheidet sich von dem eines Isotops. Während Isotope sich auf Atome desselben Elements (gleiche Protonenzahl) mit unterschiedlicher Neutronenzahl beziehen, wurde der Begriff Nuklid geschaffen, um die Kerneigenschaften unabhängig vom chemischen Verhalten zu betrachten. Beispielsweise hat Kohlenstoff-13 (⁶¹³C) 6 Protonen und 7 Neutronen. Obwohl „Isotop“ in Bereichen wie Kerntechnik und Medizin gebräuchlich bleibt, ist „Nuklid“ der präzisere Begriff, wenn es um Kerneigenschaften geht. In der Kernphysik kann die Anzahl der Neutronen ebenso wichtig sein wie die Anzahl der Protonen – anders als in der Chemie, wo die Neutronenzahl nur einen geringen Einfluss hat, mit Ausnahme von Wasserstoff und Helium. Bei Wasserstoff ist der Isotopeneffekt stark genug, um biologische Systeme zu beeinflussen. Bei Helium folgt ⁴₂He der Bose-Einstein-Statistik, während ³₂He der Fermi-Dirac-Statistik folgt, was zu großen Unterschieden in den physikalischen Eigenschaften bei tiefen Temperaturen führt.

Obwohl sie oft synonym verwendet werden, beschreiben „Nuklid“ und „Isotop“ unterschiedliche Beziehungen. Isotope sind Nuklide mit gleicher Protonenzahl (gleiches Element) aber unterschiedlicher Neutronenzahl. Isobare sind Nuklide mit gleicher Massenzahl aber unterschiedlicher Ordnungszahl. Isotone haben die gleiche Neutronenzahl, unterscheiden sich aber in der Protonenzahl. Isodiaphere haben den gleichen Neutronenüberschuss (N − Z). Der Begriff „Isoton“ wurde in Anlehnung an „Isotop“ geprägt, um hervorzuheben, dass die konstante Eigenschaft die Neutronenzahl ist. Kernisomere sind ein Sonderfall: Es sind Nuklide mit gleicher Protonenzahl und Massenzahl (also demselben Isotop), aber unterschiedlichen Anregungszuständen. So sind Technetium-99m und Technetium-99 zwei verschiedene Nuklide desselben Isotops. Das langlebigste Kernisomer ist Tantal-180m mit einer Halbwertszeit von über 10¹⁷ Jahren; es kommt natürlich vor und es wurde nie beobachtet, dass es in seinen Grundzustand zerfällt. Im Gegensatz dazu zerfällt Tantal-180 im Grundzustand in etwa 8 Stunden.

Es gibt 251 Nuklide in der Natur, bei denen nie ein Zerfall beobachtet wurde; sie kommen bei 80 Elementen vor, die mindestens ein stabiles Isotop besitzen. Instabile Nuklide sind radioaktiv und werden Radionuklide genannt; ihre Zerfallsprodukte sind radiogene Nuklide.

Natürlich vorkommende Radionuklide fallen in drei Gruppen. Erstens: Primordiale Radionuklide haben Halbwertszeiten, die lang genug sind, um seit der Entstehung der Erde (vor etwa 4,6×10⁹ Jahren) zu überdauern; sie stammen aus der stellaren Nukleosynthese vor der Bildung des Sonnensystems. Beispielsweise ist Uran-238 (Halbwertszeit 4,463×10⁹ Jahre) noch häufig, während Uran-235 (Halbwertszeit 0,704×10⁹ Jahre) heute 138-mal seltener ist. 35 solcher primordialen Radionuklide sind bekannt. Die zweite Gruppe besteht aus radiogenen Nukliden wie Radium-226 (Halbwertszeit 1600 Jahre), die durch radioaktiven Zerfall innerhalb der Zerfallsreihen von primordialem Uran oder Thorium entstehen. Einige davon, wie Isotope des Franciums, sind sehr kurzlebig; etwa 50 Tochternuklide existieren ausschließlich durch den Zerfall langlebigerer primordialer Mutternuklide. Die dritte Gruppe umfasst Nuklide, die durch natürliche Kernreaktionen entstehen, nicht durch einfachen spontanen Zerfall. Sie entstehen, wenn Atome mit natürlichen Neutronen (aus kosmischer Strahlung, spontaner Spaltung oder anderen Quellen) wechselwirken oder direkt von kosmischer Strahlung beschossen werden. Diejenigen aus kosmischer Strahlung werden kosmogene Nuklide genannt; andere aus natürlichen Kernreaktionen sind nucleogene Nuklide. Produkte der spontanen Spaltung variieren stark, zerfallen aber im Laufe geologischer Zeiträume entweder in primordiale Nuklide oder in eines von sieben langlebigen Spaltprodukten, die daher in der Natur vorkommen.