Kernchemie

Angrenzende Fachgebiete

• Chemie der Trennungsverfahren (Separation), vgl. auch Extraktion
• Dosimetrie
• Kernmaterialüberwachung bzw. Kernmaterialsicherheit
• Kernreaktoren bzw. Kernreaktorkinetik
• Kernfusionsmaterialien
• Radioökologie
• Reaktionskinetische Studien
• Reaktorsicherheit
• Strahlenphysik
• Strahlenschutz

Weitere angrenzende Wissenschaften, d. h. Anwendungsbereiche der Kernchemie, sind die medizinische Diagnostik, Nuklearmedizin und Umweltanalytik.^[3] Die Physik der Kernspaltung ist ein eigenständiges, physikalisches Fachgebiet und befasst sich mit den Mechanismen, die zu dieser Kernreaktion gehören. Radiochemische Analysen haben die Spaltung radioaktiver Kerne nachgewiesen und untersuchen auch die Spaltprodukte, die die resultierenden radioaktiven Elemente nach einer Kernspaltung darstellen. Eine scharfe Abgrenzung der Fachgebiete Radiochemie und Kernchemie ist nicht möglich. In beiden Fällen sind Labortätigkeiten erforderlich. Ein Beispiel für den Aufgabenbereich der Kernchemie ist die Errichtung kerntechnischer Anlagen und Verfahren.

Zerfallsreihen

Beim Kernzerfall eines Nuklids entsteht oft kein stabiles Zerfallsprodukt, sondern ein ebenfalls radioaktives Nuklid. Das bedeutet, dass selbst aus einem isotopenreinen Element mit der Zeit ein Gemisch mehrerer Elemente entsteht. Die von einem solchen Gemisch ausgehende Strahlung ist naturgemäß schwerer zu identifizieren als diejenige eines einzelnen Elements. Durch eine chemische Trennung der Elemente voneinander können anschließend die einzelnen Elemente anhand ihrer Strahlung identifiziert werden. Auch lässt sich dadurch der Reaktionsmechanismus klären, also in welcher Reihenfolge die verschiedenen Zerfallsarten erfolgen. Das Ergebnis ist eine Zerfallsreihe. Die Kernchemie ermöglicht damit die Zuordnung der Strahlung zu einem bestimmten Nuklid.

Äußere Einflüsse auf Halbwertszeit

Im Fall des radioaktiven Zerfalls durch Elektroneneinfang gibt es messbare Einflüsse äußerer Bedingungen wie Aggregatzustand, Druck oder chemischer Bindung auf die Halbwertszeit, denn die Zerfallsrate hängt hier neben den inneren Eigenschaften des Mutterkerns auch von der Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen am Ort des Kerns ab.^[4]

Ein seit dem Ende der 1940er Jahre diskutierter Fall ist der EC-Zerfall des Be-7 zu Li-7.^[5] T. Ohtsuki und Kollegen untersuchten die Halbwertszeit von radioaktivem Be-7 zum einen in Be-Metall und zum anderen in C₆₀-Käfigen (Buckminster-Fulleren). Sie fanden die Halbwertszeiten 52,68 ± 0,05 Tage (Metall) und 53,12 ± 0,05 Tage (C₆₀), d. h. eine Differenz von 0,83 %.^[6]

Unter extremen Druckverhältnissen, wie sie in den äußeren Schichten von Neutronensternen oder kurzzeitig während Teilchenkollisionen in irdischen Teilchenbeschleunigern auftreten, sind auch sonst instabile, neutronenreiche Eisenisotope stabil.^[7]

Fortführung des Periodensystems

Bei den Elementen mit Ordnungszahlen größer etwa 100 könnten durch quantenmechanische Effekte Umordnungen im Periodensystem auftreten. Es ist daher ein aktuelles Forschungsthema der Kernchemie, die chemischen Eigenschaften der schwersten bisher synthetisierten Elemente zu ermitteln.^[8] Dabei müssen physiko-chemische Experimente mit teilweise nur einem Atom durchgeführt werden. Die schwersten bisher untersuchten Elemente (Dubnium, Seaborgium, Bohrium) zeigen noch keine fundamentalen Änderungen gegenüber ihren Homologen (Ta, W, Re).

Fachbücher

• Roland Lindner: Kern- und Radiochemie. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1961, ISBN 978-3-642-87163-4, doi:10.1007/978-3-642-87162-7.
• G. Friedlander, Joseph W. Kennedy: Lehrbuch der Kern- und Radiochemie. Karl Thiemig, München 1961.
• Manson Benedict, Thomas H. Pigford, Hans Wolfgang Levi: Nuclear Chemical Engineering (= McGraw-Hill Series in Nuclear Engineering). 2. Auflage. McGraw-Hill, New York 1981, ISBN 978-0-07-004531-6 (englisch, archive.org).
• Vladimir Majer, Hermann Kupsch (Hrsg.): Grundlagen der Kernchemie. Johann Ambrosius Barth, Leipzig 1982.
• Jens Volker Kratz: Nuclear and Radiochemistry. 4. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2022, ISBN 978-3-527-34905-0 (englisch, Standardwerk aus Deutschland ins Englische übertragen, basierend auf dem 1969 gegründeten Werk von Karl Heinrich Lieser als Teil der ehemaligen Serie "Kernchemie in Einzeldarstellungen" im Verlag Chemie (Weinheim).).