Was sind Nuklidkarten und Zerfallsreihen?

Eine Nuklidkarte ist ein Diagramm, das alle bekannten Atomkerne (Nuklide) nach ihrer Protonen- und Neutronenzahl ordnet. Sie zeigt, ob ein Kern stabil oder radioaktiv ist. Eine Zerfallsreihe ist die Abfolge von radioaktiven Zerfällen, die ein instabiler Kern durchläuft, bis er schließlich zu einem stabilen Endkern wird.

Wie liest man die Nuklidkarte richtig?

Auf der waagerechten x-Achse liest du die Neutronenzahl ab, auf der senkrechten y-Achse die Protonenzahl . Die Farben der Felder verraten dir die Eigenschaften: Schwarze Felder stehen für stabile Kerne, gelbe für Alpha-Zerfall und blaue für Beta-Minus-Zerfall.

Wie funktioniert der Alpha-Sprung in der Nuklidkarte?

Bei einem Alpha-Zerfall verliert der Atomkern zwei Protonen und zwei Neutronen. Auf der Nuklidkarte startest du bei einem gelben Feld und gehst genau zwei Felder nach unten und zwei Felder nach links , um das neue Tochterprodukt zu finden.

Was passiert beim Beta-Minus-Sprung?

Beim Beta-Minus-Zerfall wandelt sich im Kern ein Neutron in ein Proton um. In der Nuklidkarte startest du auf einem blauen Feld und springst ein Feld nach oben (ein Proton mehr) sowie ein Feld nach links (ein Neutron weniger).

Nuklidkarten und Zerfallsreihen

Stell dir vor, du hast eine riesige Landkarte, auf der nicht nur alle Länder der Erde verzeichnet sind, sondern auch jedes einzelne Dorf und jedes Haus. Das Periodensystem der Elemente kennst du bereits – es zeigt uns alle chemischen Elemente. Aber es erzählt nicht die ganze Geschichte!

In der Natur gibt es von jedem Element verschiedene Versionen (Isotope), von denen viele instabil und radioaktiv sind. Um hier den Überblick zu behalten, nutzen Physiker die sogenannte Nuklidkarte. In diesem Artikel lernst du alles über Nuklidkarten und Zerfallsreihen, wie man diese Karte liest und wie man mit ihr genau vorhersagen kann, in was sich ein radioaktiver Stoff verwandelt!

Vorwissen

Aufbau des Atomkerns: Ein Kern besteht aus Protonen ( $Z$ ) und Neutronen ( $N$ ). Zusammen ergeben sie die Massenzahl ( $A$ ). Formel: $A = Z + N$ (Daraus folgt: $N = A - Z$ ) Beispiel: Kohlenstoff-14 ( $^{14}_{6}\text{C}$ ) hat $Z = 6$ Protonen. Die Neutronenzahl ist $N = 14 - 6 = 8$ .
Alpha-Strahlung ( $\alpha$ ): Der Kern verliert 2 Protonen und 2 Neutronen.
Beta-Minus-Strahlung ( $\beta^-$ ): Im Kern wandelt sich ein Neutron in ein Proton um.

Aufgabentyp 1: Nuklidkarten lesen und Zerfallsreihen aufstellen

Die Nuklidkarte ist wie ein großes Koordinatensystem aufgebaut, in dem jeder bekannte Atomkern (Nuklid) sein eigenes, festes Feld hat.

Die waagerechte x-Achse: Hier liest du die Neutronenzahl ( $N$ ) ab.
Die senkrechte y-Achse: Hier liest du die Protonenzahl ( $Z$ ) ab. Da die Protonenzahl bestimmt, um welches chemische Element es sich handelt, liegen alle Isotope eines Elements in genau derselben waagerechten Zeile nebeneinander.

Um sofort zu erkennen, ob ein Kern gefährlich (radioaktiv) oder sicher (stabil) ist, nutzt die Karte bestimmte Farben:

Schwarze Felder: Diese Kerne sind stabil. Sie zerfallen nicht und strahlen nicht.
Gelbe Felder: Diese Kerne sind radioaktiv und zerfallen durch Alpha-Zerfall ( $\alpha$ ). Man findet sie meistens weit oben in der Karte bei den sehr schweren Elementen.
Blaue Felder: Diese Kerne sind radioaktiv und zerfallen durch Beta-Minus-Zerfall ( $\beta^-$ ). Sie haben oft zu viele Neutronen und liegen meist am rechten Rand einer Element-Zeile.

In jedem Feld steht außerdem die Halbwertszeit, also wie lange es dauert, bis die Hälfte dieser Kerne zerfallen ist.

Wenn ein radioaktiver Kern zerfällt, verschwindet er nicht einfach. Er verwandelt sich in einen neuen Kern (das Tochterprodukt). Wenn dieses Tochterprodukt ebenfalls radioaktiv ist, zerfällt es weiter. Das passiert so lange, bis endlich ein schwarzes, stabiles Feld erreicht ist. Diese Kette von Verwandlungen nennt man Zerfallsreihe.

Auf der Nuklidkarte kannst du diese Zerfallsreihen wie Züge in einem Brettspiel ganz einfach nachverfolgen. Die Farbe des Startfeldes verrät dir, welchen 'Sprung' du machen musst:

Der Alpha-Sprung (Start auf gelbem Feld): Der Kern verliert 2 Protonen und 2 Neutronen. Du gehst auf der Karte 2 Felder nach unten und 2 Felder nach links.
Der Beta-Minus-Sprung (Start auf blauem Feld): Ein Neutron wird zu einem Proton. Du gehst auf der Karte 1 Feld nach links (ein Neutron weniger) und 1 Feld nach oben (ein Proton mehr).

Indem du diese Sprünge nacheinander ausführst, kannst du den gesamten Weg eines Atoms durch die Natur vorhersagen.

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Startfeld finden: Bestimme die Protonenzahl ( $Z$ ) des Elements im Periodensystem. Berechne die Neutronenzahl ( $N = A - Z$ ). Suche das Feld mit diesen Koordinaten auf der Nuklidkarte.
Zerfallsart ablesen: Schau dir die Farbe des Feldes an (Gelb = $\alpha$ , Blau = $\beta^-$ ).
Den Sprung ausführen: Gehe je nach Farbe die entsprechenden Felder weiter: $\alpha$ : 2 nach unten, 2 nach links. $\beta^-$ : 1 nach oben, 1 nach links. Lies das neue Element und seine neue Massenzahl am Zielfeld ab.
Reaktionsgleichung notieren: Schreibe den Schritt als Gleichung auf (z.B. $\text{Start} \xrightarrow{\alpha} \text{Ziel}$ ). Wiederhole die Schritte 2 bis 4 mit dem neuen Kern, bis du ein schwarzes Feld erreichst.

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Stelle die ersten drei Schritte der radioaktiven Zerfallsreihe für Thorium-232 ( $^{232}_{90}\text{Th}$ ) auf. Gib für jeden Schritt das entstehende Tochterprodukt an. (Hinweis: Du benötigst eine Nuklidkarte oder die Sprungregeln, um die Aufgabe zu lösen).

Fortschritt

4 / 4

Schritt 1
Startfeld finden
Wir starten bei Thorium-232. Protonenzahl ( $Z$ ) = $90$ (y-Achse). Neutronenzahl ( $N$ ) = $232 - 90 = 142$ (x-Achse).
Schritt 2
Erster Zerfall
Das Feld für $^{232}_{90}\text{Th}$ ist gelb ( $\alpha$ -Zerfall). Wir springen 2 Felder nach unten ( $Z = 88$ ) und 2 Felder nach links ( $N = 140$ ). Das Element mit $Z = 88$ ist Radium (Ra). Die neue Massenzahl ist $88 + 140 = 228$ . Erstes Tochterprodukt: $^{228}_{88}\text{Ra}$ .
Schritt 3
Zweiter Zerfall
Wir starten nun bei $^{228}_{88}\text{Ra}$ . Dieses Feld ist blau ( $\beta^-$ -Zerfall). Wir springen 1 Feld nach oben ( $Z = 89$ ) und 1 Feld nach links ( $N = 139$ ). Das Element mit $Z = 89$ ist Actinium (Ac). Die neue Massenzahl ist $89 + 139 = 228$ . Zweites Tochterprodukt: $^{228}_{89}\text{Ac}$ .
Schritt 4 · Ergebnis
Dritter Zerfall
Wir starten bei $^{228}_{89}\text{Ac}$ . Dieses Feld ist ebenfalls blau ( $\beta^-$ -Zerfall). Wir springen 1 Feld nach oben ( $Z = 90$ ) und 1 Feld nach links ( $N = 138$ ). Das Element mit $Z = 90$ ist wieder Thorium (Th). Die neue Massenzahl ist $90 + 138 = 228$ . Drittes Tochterprodukt: $^{228}_{90}\text{Th}$ .

Ergebnis:

Die ersten drei Schritte der Zerfallsreihe lauten: $^{232}_{90}\text{Th} \xrightarrow{\alpha} ^{228}_{88}\text{Ra} \xrightarrow{\beta^-} ^{228}_{89}\text{Ac} \xrightarrow{\beta^-} ^{228}_{90}\text{Th}$ Realitäts-Check: Bei einem $\alpha$ -Zerfall sinkt die obere Zahl (Masse) um 4, die untere (Protonen) um 2. Bei einem $\beta^-$ -Zerfall bleibt die obere Zahl gleich, die untere steigt um 1. Unsere Gleichung erfüllt genau diese mathematischen Regeln!

Wichtige Erkenntnisse

Achsen: x-Achse = Neutronen ( $N$ ), y-Achse = Protonen ( $Z$ ).
Farben: Schwarz = Stabil. Gelb = $\alpha$ -Zerfall. Blau = $\beta^-$ -Zerfall.
$\alpha$ -Sprung: 2 Felder nach unten, 2 Felder nach links.
$\beta^-$ -Sprung: 1 Feld nach oben, 1 Feld nach links.
Zerfallsreihe: Eine Kette von Sprüngen, bis ein schwarzes (stabiles) Feld erreicht wird.

Nuklidkarten und Zerfallsreihen einfach erklärt: So geht's