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Ein Clusterzerfall (oder Clusteremission, englisch cluster decay) ist ein sehr selten auftretender radioaktiver Zerfallstyp. Dabei wird ein leichter Atomkern emittiert, der schwerer als ein Alpha-Teilchen, aber mit 6 bis 14 Prozent der Masse des Mutterkerns wesentlich leichter als die typischen Spaltfragmente der Kernspaltung ist. Außerdem werden keine Neutronen freigesetzt.

Als emittierte Cluster beobachtet wurden bisher Kerne zwischen Kohlenstoff-14 und Silicium-34. Es handelt sich überwiegend nicht um die jeweils stabilsten Kerne zu ihrer Ordnungszahl, sondern um deren Isotope mit höherem Neutronenüberschuss, entsprechend dem Neutronenüberschuss des Mutterkerns.

• Geschichte

• Art und Auftreten

• Experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle

• Literatur

• Einzelnachweise

• Weblinks

Der Clusterzerfall wurde von Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner 1980 theoretisch vorhergesagt.cite-ref-1[1] H. J. Rose und George Arnold Jones erbrachten 1983 an der University of Oxford den ersten experimentellen Nachweis, der Anfang 1984 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.cite-ref-2[2] Sie stellten fest, dass das Radiumisotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen) unter Emission eines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt zu Blei-209 zerfallen kann:

88 223 R a → → 82 209 P b + 6 14 C {\displaystyle \mathrm {{}_{\ 88}^{223}Ra\to {}_{\ 82}^{209}Pb+{}_{\ 6}^{14}C} }

Der Clusterzerfall wurde bisher nur bei einigen alphastrahlenden Radionukliden mit Ordnungszahlen ab 87 (Francium) beobachtet. Aufgrund dieses Auftretens von Cluster- und Alpha-Zerfall beim gleichen Nuklid spricht man bei den betroffenen Nukliden von einem dualen Kernzerfall. Der Clusterzerfall kann kernphysikalisch als stark asymmetrische Kernspaltung verstanden werden.cite-ref-3[3] Der Name „Cluster“ (engl. cluster, etwa „Klumpen“) wurde gewählt, weil das emittierte Teilchen eine „Anhäufung“ von mehr als je zwei Protonen und Neutronen ist.

Die Wahrscheinlichkeit für einen Clusterzerfall ist im Vergleich zum Alpha-Zerfall um den Faktor 109 bis 1016 geringer.cite-ref-4[4] Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 14. Die bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24 und Magnesium-28. Auffallend oft sind die Zerfallsprodukte Kerne mit „magischen“ Protonen- oder Neutronenzahlen, was zu einer erhöhten Stabilität führt. Im Fall der Tochterkerne sind es die Protonenzahl Z=92 (207…212Pb) und die Neutronenzahl N=126 (206Hg, 207Tl, 208Pb, 209Bi). Bei den Clustern sind es die Zahlen Z=8 (18O, 20O), N=8 (14C, 15N), N=20 (34Si) sowie die oft ebenfalls als magisch bezeichnete Zahlen Z=14 (32Si, 34Si) und N=14 (23F, 24Ne).

Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 und 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.

Bei einigen Radionukliden sind bis zu vier Möglichkeiten des Clusterzerfalls beobachtet worden, beispielsweise drei bei dem in der Natur vorkommenden Uranisotop Uran-234: die Emission eines Neon-24-, eines Neon-26- oder eines Magnesium-28-Kerns.

| Zerfall | Verzweigungs- verhältnis | E (MeV) | Geschwindigkeit (km/s) | Geschwindigkeit (km/s) |

|---|---|---|---|---|

| Zerfall | Verzweigungs- verhältnis | E (MeV) | Cluster | Tochterkern |

| 92 234 U → 82 210 P b + 10 24 N e {\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{210}Pb+{}_{10}^{24}Ne} } | 0,9·10 −9 | 60,485 | 0 20.866 | 0 0 2.390 |

| 92 234 U → 82 208 P b + 10 26 N e {\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{208}Pb+{}_{10}^{26}Ne} } | 0,9·10 −9 | 60,776 | 0 20.024 | 0 0 2.503 |

| 92 234 U → 80 206 H g + 12 28 M g {\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 80}^{206}Hg+{}_{12}^{28}Mg} } | 1,4·10 −9 | 74,225 | 0 21.222 | 0 0 2.884 |

| Zum Vergleich: Alpha-Zerfall | Zum Vergleich: Alpha-Zerfall | Zum Vergleich: Alpha-Zerfall | Zum Vergleich: Alpha-Zerfall | Zum Vergleich: Alpha-Zerfall |

| 92 234 U → 90 230 T h + α {\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 90}^{230}Th+\alpha } } | ≈100 | 0 4,859 | 0 16.567 | 000. 264 |

Die Tabellen geben eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle.cite-ref-5[5]cite-ref-6[6]

| Tochterkern | Tochterkern | Tochterkern | 204 Hg | 205 Hg | 206 Hg | 207 Hg | 208 Hg | 207 Tl | 207 Pb | 208 Pb | 209 Pb | 210 Pb | 211 Pb | 212 Pb | 209 Bi | 211 Bi |

|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|

| Mutter- kern | 1 Z 1 | | 80 | 80 | 80 | 80 | 80 | 81 | 82 | 82 | 82 | 82 | 82 | 82 | 83 | 83 |

| Mutter- kern | 1 Z 1 | N | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 126 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 126 | 128 |

| 221 Fr | 87 | 134 | | | | | | 14 C | | | | | | | | |

| 221 Ra | 88 | 133 | | | | | | | 14 C | | | | | | | |

| 222 Ra | 88 | 134 | | | | | | | | 14 C | | | | | | |

| 223 Ra | 88 | 135 | | | | | | | | | 14 C | | | | | |

| 224 Ra | 88 | 136 | | | | | | | | | | 14 C | | | | |

| 226 Ra | 88 | 138 | | | | | | | | | | | | 14 C | | |

| 223 Ac | 89 | 134 | | | | | | | | 15 N | | | | | 14 C | |

| 225 Ac | 89 | 136 | | | | | | | | | | | | | | 14 C |

| 226 Th | 90 | 136 | | | | | | | | 18 O | | | | | | |

| 228 Th | 90 | 138 | | | | | | | | 20 O | | | | | | |

| 230 Th | 90 | 140 | | | 24 Ne | | | | | | | | | | | |

| 232 Th | 90 | 142 | | | 26 Ne | | 24 Ne | | | | | | | | | |

| 231 Pa | 91 | 140 | | | | | | 24 Ne | | 23 F | | | | | | |

| 230 U | 92 | 138 | | | | | | | | 22 Ne | | | | | | |

| 232 U | 92 | 140 | 28 Mg | | | | | | | 24 Ne | | | | | | |

| 233 U | 92 | 141 | | 28 Mg | | | | | | 25 Ne | 24 Ne | | | | | |

| 234 U | 92 | 142 | | | 28 Mg | | | | | 26 Ne | | 24 Ne | | | | |

| 235 U | 92 | 143 | | | 29 Mg | 28 Mg | | | | | | 25 Ne | 24 Ne | | | |

| 236 U | 92 | 144 | | | 30 Mg | | 28 Mg | | | | | 26 Ne | | 24 Ne | | |

| 237 Np | 93 | 144 | | | | | | 30 Mg | | | | | | | | |

| 236 Pu | 94 | 142 | | | | | | | | 28 Mg | | | | | | |

| 238 Pu | 94 | 144 | | | 32 Si | | | | | 30 Mg | | 28 Mg | | | | |

| 240 Pu | 94 | 146 | | | 34 Si | | | | | | | | | | | |

| 241 Am | 95 | 146 | | | | | | 34 Si | | | | | | | | |

| 242 Cm | 96 | 146 | | | | | | | | 34 Si | | | | | | |

| Cluster-Zerfall | Magische Zahl(en) | E (MeV) | lg ⁡ T 1 / 2 s {\displaystyle \lg {\frac {T_{1/2}}{\mathrm {s} }}} |

|---|---|---|---|

| 221 Fr → 207 Tl + 14 C | N=126; N=8 | 31,292 | 14,52 |

| 221 Ra → 207 Pb + 14 C | Z=82; N=8 | 32,395 | 13,39 |

| 222 Ra → 208 Pb + 14 C | Z=82, N=126; N=8 | 33,049 | 11,01 |

| 223 Ra → 209 Pb + 14 C | Z=82; N=8 | 31,828 | 15,20 |

| 224 Ra → 210 Pb + 14 C | Z=82; N=8 | 30,535 | 15,68 |

| 226 Ra → 212 Pb + 14 C | Z=82; N=8 | 28,196 | 21,19 |

| 223 Ac → 209 Bi + 14 C | N=126; N=8 | 33,064 | 12,60 |

| 223 Ac → 208 Pb + 15 N | Z=82, N=126; N=8 | 39,473 | > 14,76 |

| 225 Ac → 211 Bi + 14 C | N=8 | 30,476 | 17,16 |

| 226 Th → 208 Pb + 18 O | Z=82, N=126; Z=8 | 45,726 | > 15,30 |

| 228 Th → 208 Pb + 20 O | Z=82, N=126; Z=8 | 44,722 | 20,72 |

| 230 Th → 206 Hg + 24 Ne | N=126; (N=14) | 57,761 | 24,61 |

| 232 Th → 208 Hg + 24 Ne | (N=14) | 54,509 | > 29,20 |

| 232 Th → 206 Hg + 26 Ne | N=126 | 55,964 | > 29,20 |

| 231 Pa → 208 Pb + 23 F | Z=82, N=126 | 51,843 | 26,02 |

| 231 Pa → 207 Tl + 24 Ne | N=126; (N=14) | 60,410 | 23,23 |

| 230 U → 208 Pb + 22 Ne | Z=82, N=126 | 61,387 | 19,57 |

| 232 U → 208 Pb + 24 Ne | Z=82, N=126; (N=14) | 62,309 | 21,08 |

| 232 U → 204 Hg + 28 Mg | — | 74,318 | > 22,26 |

| 233 U → 209 Pb + 24 Ne | Z=82; (N=14) | 60,485 | 24,83 |

| 233 U → 208 Pb + 25 Ne | Z=82, N=126 | 60,776 | 24,84 |

| 233 U → 205 Hg + 28 Mg | — | 74,225 | > 27,59 |

| 234 U → 210 Pb + 24 Ne | Z=82; (N=14) | 58,825 | 25,92 |

| 234 U → 208 Pb + 26 Ne | Z=82, N=126 | 59,464 | 25,92 |

| 234 U → 206 Hg + 28 Mg | N=126 | 74,110 | 27,54 |

| 235 U → 211 Pb + 24 Ne | Z=82; (N=14) | 57,362 | 27,42 |

| 235 U → 210 Pb + 25 Ne | Z=82 | 57,756 | 27,42 |

| 235 U → 207 Hg + 28 Mg | — | 72,158 | > 28,10 |

| 235 U → 206 Hg + 29 Mg | N=126 | 72,485 | > 28,09 |

| 236 U → 212 Pb + 24 Ne | Z=82; (N=14) | 55,944 | > 25,90 |

| 236 U → 210 Pb + 26 Ne | Z=82 | 56,744 | > 25,90 |

| 236 U → 208 Hg + 28 Mg | — | 70,564 | 27,58 |

| 236 U → 206 Hg + 30 Mg | N=126 | 72,303 | 27,58 |

| 237 Np → 207 Tl + 30 Mg | N=126 | 74,818 | > 26,93 |

| 236 Pu → 208 Pb + 28 Mg | Z=82, N=126 | 79,669 | 21,67 |

| 238 Pu → 210 Pb + 28 Mg | Z=82 | 75,911 | 25,70 |

| 238 Pu → 208 Pb + 30 Mg | Z=82, N=126 | 76,823 | 25,70 |

| 238 Pu → 206 Hg + 32 Si | N=126; (Z=14) | 76,823 | 25,70 |

| 240 Pu → 206 Hg + 34 Si | N=126; N=20, (Z=14) | 91,191 | 25,27 |

| 241 Am → 207 Tl + 34 Si | N=126; N=20, (Z=14) | 93,927 | > 24,41 |

| 242 Cm → 208 Pb + 34 Si | Z=82, N=126; N=20, (Z=14) | 96,510 | 23,15 |

Man beachte die Häufung bei „magischen“ Tochterkernen (Z=82, N=126) und Clustern (Z=8, N=8, N=14, N=20).

Die detaillierte Liste enthält folgende Angaben:

• beteiligte Kerne: Mutterkern → Tochterkern + Cluster,

• als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende Magische Zahl(en),

• freigesetzte Energie E in MeV, messbar als Massendefekt E = ( m Mutterkern − − m Tochterkern − − m Cluster ) ⋅ ⋅ c 2 {\displaystyle \ \ \ E=(m_{\text{Mutterkern}}-m_{\text{Tochterkern}}-m_{\text{Cluster}})\cdot c^{2}} ,

• dekadischer Logarithmus der (fiktiven) partiellen Halbwertszeit in Sekunden: lg ⁡ ⁡ T 1 / 2 / s {\displaystyle \lg T_{1/2}\,/\,{\mathrm {s} }} .

• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 1 (= Lecture Notes in Physics. Band 818). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-13898-0.

• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 2 (= Lecture Notes in Physics. Band 848). Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24706-4.

• Doru S. Delion: Theory of Particle and Cluster Emission. (= Lecture Notes in Physics. Band 819). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-14405-9.

cite-note-11. ↑ Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and a decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528–541 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334 (online).

cite-note-22. ↑ H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247, doi:10.1038/307245a0.

cite-note-33. ↑ K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236.

cite-note-44. ↑ K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.

cite-note-55. ↑ K. P. Santhosh, B. Priyanka, M. S. Unnikrishnan: Cluster decay half lives of trans-lead nuclei within the Coulomb and proximity potential model. In: Nuclear Physics A. Band 889, 2012, S. 29–50, doi:10.1016/j.nuclphysa.2012.07.002, arxiv:1207.4384.

cite-note-66. ↑ Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry. Vol. 1: Basics of Nuclear Science. 2. Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-1-4419-0719-6, S. 840–841.

• Literaturübersicht

• D. N. Poenaru, W. Greiner: Cluster radioactivity – past, present and future. Workshop on State of the Art in Nuclear Cluster Physics, May 13–16, 2008, Strasbourg (theory.nipne.ro PDF, 52 Seiten).