Neptunium-Reihe

Die Neptunium-Reihe ist die natürliche Zerfallsreihe des Neptuniumisotops ^237Np. Ihr Endnuklid ist das Thalliumisotop ^205Tl; lange Zeit glaubte man, das Bismutisotop ^209Bi sei stabil und der Endpunkt der Reihe. Die Reihe kann „rückwärts“ über das Neptunium hinaus zu noch schwereren Transuranen fortgesetzt werden. Die Darstellung wird hier jedoch nur bis zu ^241Pu fortgesetzt, das in kleinen Mengen in Kernreaktoren entsteht (Verlängerung in violett). ^241Pu entsteht dabei häufiger, wenn MOX-Brennelemente verwandt werden als bei Verwendung „gewöhnlichen“ Uran-Brennstoffs.

Die Neptuniumreihe wird auch als „prähistorische“ Reihe bezeichnet, da das bei der Entstehung der Erde vorhandene ^237Np schon gänzlich zerfallen ist. Auch das im Naturreaktor Oklo entstandene Neptunium-237 (bzw. Americium-241) ist längst bis zum (äußerst langlebigen) Bismut-209 zerfallen. Kleinste Mengen ^237Np entstehen auch in Uranerzen, da ^238U zur Spontanspaltung in der Lage ist, wobei Neutronen frei werden, welche durch Neutroneneinfang in ^235U und anschließend noch einmal in ^236U das betastrahlende ^237U bilden, welches schließlich zu ^237Np zerfällt. Hierbei besteht ein dynamisches Gleichgewicht aus dem skizzierten Entstehungsweg und dem anschließenden Alphazerfall von ^237Np. Die entstehenden Mengen (Größenordnung 10^−12 Neptunium-Atome pro Uran-Atom) sind jedoch kaum oberhalb der Nachweisgrenze und eher von akademischer Relevanz.[1][2] In weitaus größeren Ausmaß existiert die Neptuniumreihe – allerdings auf künstlichem Wege – heute wieder, weil Anfangsnuklide wie ^241Pu, ^237Np und ^237U in Kernreaktoren als Neben- bzw. Hauptprodukte erbrütet werden. Wenn Thorium als „Brennstoff“ in Kernreaktoren verwendet wird, wird hierbei durch Neutroneneinfang das spaltbare ^233U „erbrütet“, welches ein weiteres, relativ langlebiges, Glied der Kette an Zerfällen der Neptunium-Reihe ist. ^241Am wird – besonders im angloamerikanischen Raum – in Ionisationsrauchmeldern verwendet. In heute vertriebenen Rauchmeldern findet sich 1 Microcurie oder weniger an ^241Am[3] was weniger als 300 Nanogramm entspricht.

Natürliche radioaktive Zerfallsreihen: Neptunium-Reihe (violett)

4n+1 Reihe

Zerfallsreihen von ^237Np: Z ist die Ordnungszahl (Protonenzahl), N die Neutronenzahl der Nuklide.
Die sehr seltenen Zerfälle über die Nuklide ^221Ra und ^217Rn sowie der Zerfall von ^209Bi sind nicht dargestellt.

Nuklid	Zerfall	Halbwerts- zeit	E (MeV)	Zerfalls- produkt
^241Pu	β^− 99,9975 % α  0,0025 %	14,4 a	0,021 5,140	^241Am ^237U
^241Am	α	432,2 a	5,638	^237Np
^237U	β^−	6,75 d	0,519	^237Np
^237Np	α	2,144 · 10^6 a	4,959	^233Pa
^233Pa	β^−	26,967 d	0,571	^233U
^233U	α	1,592 · 10^5 a	4,909	^229Th
^229Th	α	7880 a	5,168	^225Ra
^225Ra	β^−	14,9 d	0,357	^225Ac
^225Ac	α	10,0 d	5,935	^221Fr
^221Fr	α 99,9 % β^− 0,1 %	4,9 min	6,458 0,312	^217At ^221Ra
^221Ra	α	28,0 s	6,886	^217Rn
^217At	α 99,99 % β^− 0,01 %	32,3 ms	7,202 0,740	^213Bi ^217Rn
^217Rn	α	0,54 ms	7,889	^213Po
^213Bi	β^− 97,91 % α  2,09 %	45,49 min	1,426 5,982	^213Po ^209Tl
^213Po	α	4,2 ms	8,537	^209Pb
^209Tl	β^−	2,20 min	3,980	^209Pb
^209Pb	β^−	3,253 h	0,644	^209Bi
^209Bi	α	1,9 · 10^19 a	3,137[4]	^205Tl
^205Tl	stabil

Einzelnachweise

1. B. F. Thornton, S. C. Burdette: Neutron stardust and the elements of Earth. In: Nature Chem. Band 11, 2019, S. 4–10, doi:10.1038/s41557-018-0190-9. 
2. J. Ibers: Neglected neptunium. In: Nature Chem. Band 2, 2010, S. 996, doi:10.1038/nchem.888. 
3. Backgrounder on Smoke Detectors. In: nrc.gov. Mai 2020, abgerufen am 9. März 2024 (englisch). 
4. Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc & Jean-Pierre Moalic: „Experimental detection of α-particles from the radioactive decay of natural bismuth“, in: Nature, 2003, Volume 422, Number 6934, S. 876–878; doi:10.1038/nature01541.