Kernchemie

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Einleitung

Kernchemie, Forschungsbereich der Chemie, der sich in erster Linie mit radioaktiven Elementen und ihren Kernreaktionen beschäftigt. Laut einer weit gefassten Definition ist in der Kernchemie die Kernforschung aus der Sicht der Chemie Mittelpunkt des Interesses (siehe Atom und Atomtheorie; Elementarteilchen). So zählt man beispielsweise die Herstellung und Isolierung sowie die chemischen Eigenschaften von Radioisotopen und -nukliden zum Bereich der Kernchemie. Ausgewählte Anwendungsbeispiele aus der Praxis sind u. a. die Isotopenmarkierung (z. B. Tracer zur Untersuchung von Transportvorgängen) und radioaktive Verfahren zur Altersbestimmung sowie die Neutronenaktivierungsanalyse.

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Nuklidzerfall

Nach einer einfachen, klassischen Modellvorstellung bestehen Atomkerne im Wesentlichen aus positiv geladenen Protonen und ungeladenen Neutronen. Die Anzahl der Protonen in einem Kern wird mit der so genannten Ordnungszahl des betreffenden Elements wiedergegeben. Alle Kerne mit elf Protonen sind somit Kerne des Natriumatoms (Symbol Na). Ein Element kann in verschiedenen Isotopen vorkommen. Die Kerne von verschiedenen Isotopen unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen. Beispielsweise enthält der stabile Natriumkern zwölf Neutronen, radioaktives Natrium dagegen 13 Neutronen. Diese Isotope werden folgendermaßen in der chemischen Zeichensprache abgekürzt: ®Na und ²Na. Die linke hochgestellte Zahl ist die Massenzahl, die sich aus der Summe von Protonen und Neutronen zusammensetzt. Die linke untere Zahl entspricht der Ordnungszahl. Aus der Differenz von Massenzahl und Ordnungszahl ergibt sich die Anzahl der Neutronen. Jede Kernart, die man durch die Anzahl der Protonen und der Neutronen kennzeichnen kann, wird auch als Nuklid bezeichnet.

Radioaktive Nuklide sind instabil: Sie wandeln sich spontan in Nuklide anderer Elemente um, wobei Energie freigesetzt wird (siehe Radioaktivität). Als Umwandlungen können auftreten: Alphazerfall (a, Emission eines Alphateilchens bzw. Heliumkernes, ¸He²⁺) sowie Beta- (β^-) oder Positronenzerfall (β⁺). Beim β^--Zerfall geht ein Neutron in ein Proton über und emittiert gleichzeitig ein hochenergetisches Elektron. Beim β⁺-Zerfall wandelt sich dagegen ein Proton in ein Neutron um und emittiert dabei ein hochenergetisches Positron. Beispielsweise entsteht aus ²⁴Na durch β^--Zerfall das nächsthöhere Element, Magnesium:

²Na→³Mg + β + g

Gammastrahlung (g) zählt wie Licht zur elektromagnetischen Strahlung. g-Strahlen besitzen eine hohe Frequenz. Tritt ein a- oder β-Zerfall auf, befindet sich der entstandene Kern oft in einem angeregten Zustand (Zustand höherer Energie). Beim Übergang in einen niedrigen Energiezustand emittiert der Kern häufig Gammastrahlen.

Zur Charakterisierung jedes radioaktiven Nuklidzerfalls gehört die Bestimmung der Halbwertszeit, d. h. der Zeit, in der das Nuklid zur Hälfte zerfallen ist. Die Halbwertszeit von ²⁴Na beträgt z. B. 15 Stunden. Die Kernchemiker bestimmen auch die Art und Energie der Strahlung, die das Nuklid emittiert.

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Die ersten Schritte

Die „Anfänge” der Kernchemie sind im Prinzip unmittelbar mit der Entdeckung der Radioaktivität sowie den darauf folgenden Forschungen verknüpft. Die Entdeckung gelang 1896 dem französischen Physiker Henri Becquerel anhand von Experimenten mit Uransalzen. Im Jahr 1898 fanden dann die französischen Wissenschaftler Marie und Pierre Curie die natürlich auftretenden Elemente Polonium (²¹⁰Po) und Radium (²²⁶Ra). In den dreißiger Jahren des 20. Jahrhunderts entdeckten Irène und Frédérick Joliot-Curie die künstliche Radioaktivität: Sie bestrahlten Aluminium mit a-Teilchen und gewannen dabei ein radioaktives Isotop des Phosphors (³⁰P). Der natürlich vorkommende Phosphor ist nicht radioaktiv. Unter Abgabe eines Positrons geht dieses künstliche Phosphorisotop in ein stabiles Siliciumisotop über.

Ein weiterer ausgewählter Eckpfeiler für die Grundlagen der Kernchemie war die Entdeckung der Kernspaltung im Jahr 1938 durch die deutschen Chemiker Otto Hahn und Fritz Strassmann. Beschießt man natürlich vorkommendes Uran mit Neutronen, so werden einige Urankerne in zwei Kerne mit annähernd halber Ordnungszahl von Uran gespalten. Die Kernspaltung setzt ungeheure Energiemengen frei und wird für Kernwaffen und -reaktoren genutzt (siehe Kernenergie).

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Kernreaktionen

In der Kernchemie kennt man zahlreiche Arten von Kernreaktionen, die mit dem Einfang oder der Emission von bestimmten Elementarteilchen einhergehen. Bei diesen Reaktionen entstehen meist instabile Isotope, die sich anschließend in eine andere Kernart umwandeln. Beschießt man beispielsweise Natrium mit Neutronen, so gehen einige der stabilen ®Na-Kerne in radioaktive ²Na-Kerne über:

®Na + ¦n→²Na + g

Diesen Vorgang bezeichnet man allgemein als Neutroneneinfang. Diese Kernreaktion ist u. a. wichtig bei den schweren Elementen, denn sie dient zur Herstellung und Gewinnung von anderen Isotopen. So ist beispielsweise die Erzeugung von Neptunium aus °U eine typische Neutroneneinfangreaktion:

Neptunium wurde als erstes Transuran entdeckt (siehe Periodensystem; Transurane).

Weitere ausgewählte Beispiele für Kernreaktionen sind die Emission von Neutronen, Protonen oder auch Betateilchen. Letztere nutzt man beispielsweise in der so genannten Aktivierungsanalyse (siehe unten). Natürlich gibt es auch Fälle, bei denen größere Elementarteilchen wie z. B. Alphateilchen an der Reaktion beteiligt sind. Darüber hinaus können Kernreaktionen auch dann eintreten, wenn man das Ausgangsmaterial mit kurzwelligen Gammastrahlen behandelt (siehe unten).