Kernphysik

Nuklidkarte

In diesem Beitrag beschäftigen wir uns mit der Nuklidkarte. Wir erklären dir, was die Nuklidkarte ist, welchen Nutzen sie hat und wie du sie lesen kannst.

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Inhaltsübersicht

Nuklidkarte einfach erklärt

Die Bezeichnung Nuklidkarte (auch Isotopenkarte oder Isotopentafel) besteht aus zwei Bestandteilen, „Nuklid“ und „Karte“. Die Beschriftung „Nuklid“ soll dich darauf hinweisen, dass eine Nuklidkarte etwas mit Atomkernen zu tun hat. Die Beschriftung „Karte“ teilt dir mit, dass irgendwas in Bezug auf Atomkernen grafisch dargestellt wird. Aber was wird eigentlich genau dargestellt? Eine Landschaftskarte gibt dir für bestimmte Koordinaten x und y eine Höhe H. Bei der Nuklidkarte sind die Koordinaten die Anzahl an Neutronen (die „x„-Achse) und Protonen (die „y„-Achse) im Atomkern. An diesen Koordinaten findest du dann das Element (also die „Höhe“), dessen Atomkern die angegebene Anzahl an Nukleonen besitzt.

Die Nuklidkarte ist aber mächtiger als eine Landschaftskarte, weswegen sie für die Kernphysik das ist, was das Periodensystem der Elemente für die Chemie ist. Neben der grafischen Darstellung der Nuklide, kannst du an einer Nuklidkarte wichtige Eigenschaften, wie etwa die Halbwertszeit , die Zerfallsarten oder Zerfallseigenschaften, ablesen.

Was ist eine Nuklidkarte?

In diesem Abschnitt schauen wir uns die Nuklidkarte genauer an. Wir erklären dir, was genau du unter dem Begriff Nuklid verstehen und wie du die Nuklidkarte lesen kannst.

Nuklid

Wenn du dir irgendein Element aus dem Periodensystem rauspickst, woran kannst du festmachen, um welches Element es sich handelt? Genau, du untersuchst seinen Atomkern und zählst die Anzahl an Protonen und Neutronen. Nicht nur erfährst du damit, um welches Element es sich handelt, sondern auch, ob du ein Isotop des Elements vor dir liegen hast.

Merke

Die Bezeichnung Nuklid ist ein Fachausdruck für den Begriff Atomkern.

Eine Nuklidkarte hat als ihre Koordinaten die Anzahl an Neutronen (durch N abgekürzt) und die Anzahl an Protonen (durch Z abgekürzt), da ein Nuklid durch die Zahlen N und Z bestimmt ist.

Nuklidkarte lesen

Du kannst Nuklidkarten entweder lesen, wenn du die Protonen N und Neutronen Z gegeben hast, oder wenn du ein Element gegeben hast und N und Z suchst. Wie du dabei vorgehst, schauen wir uns im Folgenden genauer an.

Vollständige Nuklidkarte
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Vollständige Nuklidkarte.

N und Z gegeben und Element wird gesucht

Eine Nuklidkarte kannst du wie eine Landschaftskarte lesen. Wenn du zum Beispiel die Anzahl an Neutronen und Protonen gegeben hast und du wissen möchtest zu welchem Element diese beiden Zahlen passen, dann gehst du auf der Nuklidkarte – beginnend vom Ursprung – N Schritte nach rechts und Z Schritte nach oben. Die Stelle, die du damit erreichst, ist mit einem Elementsymbol versehen. Dieses Symbol teilt dir dann mit, um welches chemische Element es sich handelt. 

Lass uns ein Beispiel dafür anschauen. Nehmen wir dazu an, dass wir folgende Information gegeben haben

N = 2 und Z= 2.

Wir betrachten also ein Element, das in seinem Kern zwei Neutronen und zwei Protonen trägt. Um nun mit Hilfe der Nuklidkarte zu bestimmen, um welches Element es sich handelt, versetzen wir uns in den Ursprung der Karte. Von dort aus gehen wir zwei Schritte nach rechts (da N = 2) und zwei Schritte nach oben (da Z = 2). Wir landen an einer Stelle, wo das Elementsymbol ^4\mathsf{He} zu finden ist. Das bedeutet, dass die beiden Zahlen N und Z in diesem Beispiel zum Element Helium gehören.

Ausschnitt aus Nuklidkarte, Nuklidkarte lesen
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Ausschnitt aus Nuklidkarte.

Element gegeben und N und Z werden gesucht

Nun könnte es sein, dass du ein Element vorgegeben hast und wissen möchtest, wie viele Neutronen und Protonen sich im Atomkern befinden. Dazu liest du die „x„-Koordinate und „y„-Koordinate der Stelle ab, wo sich das Element auf der Nuklidkarte befindet. Die „x„-Koordinate ist dann die Anzahl an Neutronen und die „y„-Koordinate die Anzahl an Protonen.

Nehmen wir als Beispiel das Sauerstoffisotop ^{18}\mathsf{O}. Seine x-Koordinate in der Nuklidkarte ist 10 und seine y-Koordinate 8. Damit besitzt dieses Sauerstoffisotop 10 Neutronen und 8 Protonen im Kern. Die Zahl 18 im Symbol ^{18}\mathsf{O} ist die Nukleonenzahl (auch Massenzahl) dieses Sauerstoffisotops und entspricht gerade der Summe aus N und Z.

Hinweis: Es existieren auch Nuklidkarten, wo die Anzahl an Neutronen nach unten und die Anzahl an Protonen nach rechts aufgetragen wird.

Unterschied zum Periodensystem

Wenn es nur um die Anzahl an Neutronen und Protonen geht, dann besitzt die Nuklidkarte im Vergleich zum Periodensystem den Vorteil, dass auf der Karte auch alle bekannten Isotopen eines Elements dargestellt werden. Die Isotopenkarte enthält aber viel mehr Informationen als nur die Anzahl an Neutronen und Protonen. Du kannst zum Beispiel Informationen über die Halbwertszeit und die möglichen Zerfallsarten eines Atomkerns erhalten oder Einblick darin gewinnen, wie stabil ein bestimmter Atomkern ist.

Zerfallsreihen

In diesem Abschnitt schauen wir uns die unterschiedlichen Zerfallsarten, die es ermöglichen, dass ein instabiler Atomkern zu einem stabilen Atomkern wird. Wir zeigen dir zusätzlich, wie die unterschiedlichen Zerfallsarten in der Nuklidkarte dargestellt werden.

Zerfallsarten Nuklidkarte
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Unterschiedliche Zerfallsarten in der Isotopentafel.

Alpha-Zerfall

Beim Alpha-Zerfall (auch \mathbf{\alpha}-Zerfall) gibt der Atomkern zwei Neutronen und zwei Protonen ab. In der Isotopentafel bewegst du dich also – ausgehend vom Atomkern, welcher zerfällt – zwei Schritte nach links (da zwei Neutronen „verloren“ wurden) und zwei Schritte nach unten (da zwei Protonen „verloren“ wurden). Das folgende Bild zeigt den Alpha-Zerfall in der Isotopentafel.

Alpha Zerfall Nuklidkarte
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Alpha-Zerfall in der Isotopentafel.

Beta-Zerfall

Beim Beta-Zerfall (auch \mathbf{\beta}-Zerfall) wird zwischen dem Beta-Minus (\beta^-) und dem Beta-Plus (\beta^+) Zerfall unterschieden. Beim \beta^--Zerfall verliert der Atomkern ein Neutron und gewinnt dabei ein Proton. Du bewegst dich also in der Karte einen Schritt nach links und einen Schritt nach oben. Beim \beta^+-Zerfall gewinnt der Atomkern ein Neutron, verliert aber dabei ein Proton. In der Isotopentafel bewegst du dich daher einen Schritt nach unten und einen Schritt nach rechts. Das folgende Bild illustriert beide Zerfallsarten in der Isotopentafel.

Beta-Plus und Beta-Minus Zerfall in der Nuklidkarte
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Beta-Plus und Beta-Minus Zerfall in der Isotopentafel.

Deutung in der Nuklidkarte

In der Isotopenkarte wird meist farblich kenntlich gemacht, welche Zerfallsprozesse ein Atomkern unternehmen kann. Ziel des Atomkerns ist es, durch mehrere Zerfallsprozesse in einen stabilen Zustand zu gelangen. Häufig werden die stabilen Kerne in der Karte schwarz dargestellt.

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