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Kalium-40 - Symbol 40 K - ist ein natürlich auftretendes, primordiales, radioaktives Isotop des chemischen Elements Kalium mit einer Halbwertszeit von 1,25 Milliarden Jahren; irdisches Kalium besteht zu etwa 0,0117 % (117 ppm) aus diesem Isotop, das für die schwache natürliche Radioaktivität des Alkalimetalls verantwortlich ist.
Der Atomkern des Nuklis 40K besteht aus 21 Neutronen und den elementspezifischen 19 Protonen.
Siehe auch: Übersicht über die Kalium-Isotope.
Allgemeine Daten
8,538089 MeV (Bindungsenergie im ∅ pro Nukleon)
SP = 7,582(5) MeV (Trennungsenergie 1. Proton)
7,35002552444 × 10-6 Ci g-1
Radioaktiver Zerfall
Kalium-40 ist ein seltenes Beispiel für ein Isotop, das beide Arten des Beta-Zerfalls durchläuft und diese Hauptzerfallskanäle sind gut erforscht und experimentell verifiziert. Dennoch besteht - trotz jahrzehntelanger Forschung und des großen Interesses an diesem natürlichen Radionuklid - eine Unsicherheit über die Details des 40K-Zerfalls.
- In etwa 89,28 % der Ereignisse zerfällt das Nuklid unter Emission eines Beta-Partikels β- - eines Elektrons mit der kinetischen Energie von 0,56018 ± 17 MeV - und eines Neutrinos (0,6494 ± 12 MeV) in den Grundzustand des Isotops Calcium-40:
4019K → 4020Ca + e- + ve.
- Mit einer Wahrscheinlichkeit von 10,72 % erfolgt nach Einfang eines Orbitalelektrons (EE) der Zerfall in einen angeregten 40Ar-Zustand, der fast zeitgleich (T1/2 = 1,15 Picosekunden, Spin = 2+) unter Emission von Gammastrahlung einer Energie von 1,460 MeV und eines Neutrinos (0,00506 MeV) in den Grundzustand des Isotops Argon-40 übergeht:
4019K + e- → 4018Ar + ve.
- Äußerst selten - in nur 0,001 % der Ereignisse - zerfällt Kalium-40 unter Emission eines Neutrinos ve und eines Positrons (β+-Zerfall) zu 40Ar [1, 5]. Trifft das Positron e+ (Anti-Elektron) auf ein Elektron e-, dann kommt des zu Paarzerstrahlung der beiden Teilchen mit einer Annihilationsenergie von 0,511 MeV:
4019K → 4018Ar + e+ + ve.
Eine weitere, experimentell unbestätigte und in der Wissenschaft kontrovers diskutierte Zerfallsart:
- Auf der Basis theoretischer Überlegungen könnte das Nuklid 40K nach Elektroneneinfang und mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,2 % aus seinem Grundzustand direkt in den Grundzustand von 40Ar radioaktiv zerfallen. Ein neuerer Aufsatz [Carter et al., 2020] beschäftigt sich mit den neuesten Erkenntnissen und den experimentellen Schwierigkeiten hierzu [5].
Der radioaktive Zerfall dieses Kalium-Isotops erklärt die große Menge an Argon von fast einem Prozent in der Erdatmosphäre sowie die Prävalenz von 40Ar gegenüber den anderen Argon-Isotopen; gleichzeitig ist er nach 232Th und 238U die dritthäufigste Quelle radiogener Wärme im Erdmantel.
Halbwertszeit HWZ = 1,248(3) × 109 Jahre bzw. 3,9356928 × 1016 Sekunden s.
| Zerfall | Produkt | Anteil | Zerfallsenergie | γ-Energie (Intensität) |
|---|---|---|---|---|
| β- zu | 40Ca | 89,28(11) % | 1,31089(6) MeV | |
| EE/β+ zu | 40Ar | 10,72(11) % | 1,50440(6) MeV | 1,460820(5) MeV 10,66(17) % |
Entstehung / Erzeugung
Der 40K-Atomkern zählt zu den primordialen Radionukliden, d. h., dass die irdischen Vorkommen bereits bei der Entstehung vorhanden waren und nicht durch radioaktive Zerfallsprozesse oder menschliche Einflüsse - in erwähnenswerten Mengen - nachgeliefert werden. Das Kalium-40 stammt daher aus stellaren Prozessen - insbesondere Supernova-Explosionen-, die vor der Erdentstehung stattfanden. Neuere Untersuchungen an Meteoriten weisen desweiteren darauf hin, dass das irdische Kalium größtenteils (90 %) aus nicht-kohlenstoffhaltiger Materie stammt, deren Ursprung im Inneren des Sonnensystems liegt [6].
Natürliches Vorkommen
Kalium-40 ist ein im Kalium vorkommendes, natürliches Radionuklid - sein Anteil beträgt jedoch nur 0,0117 %. Da Kalium als Mineralstoff praktisch überall auftritt, ist das darin enthaltene radioaktive K-40 die größte Quelle natürlicher Radioaktivität in Mensch, Tier und Umwelt. Ein 70 kg schwerer menschlicher Körper enthält circa 140 g Kalium und damit etwa 0,000117 × 140 g = 0,0164 g des Isotops 40 K; der Zerfall ruft ein Leben lang kontinuierlich ca. 4.300 Zerfälle pro Sekunde (Becquerel) innerhalb des Körpers hervor.
Vergleich der natürlichen Kalium-Isotope inklusive Isotopenhäufigkeit (Stoffmengenanteil am Isotopengemisch in Prozent):
| Atommasse Ar | Anteil | Halbwertszeit | Spin | |
|---|---|---|---|---|
| Kalium Isotopengemisch | 39,0983 u | 100 % | ||
| Isotop 39K | 38,96370649(3) u | 93,2581(44) % | stabil | 3/2+ |
| Isotop 40K | 39,9639982(4) u | 0,0117(1) % | 1,248(3) × 109 Jahre | 4- |
| Isotop 41K | 40,96182526(3) u | 6,7302(44) % | stabil | 3/2+ |
NMR-Daten
Nuklearmagnetische Eigenschaften und Daten für das NMR-aktive Nuklid 40K.
μ/μN:
1,5493 (v0 = const.)
[bezogen auf 1H = 1,000]
Strahlenschutz
Kaliumverbindungen und -präparate sind in Natur, Technik und Alltag allgegenwärtig vorhanden und gelten trotz des Anteils an K-40 nicht als radioaktive Gefahrstoffe; dazu ist die davon ausgehende Strahlung zu schwach.
Mit 40K angereicherte Substanzen haben praktisch und technisch keinerlei Bedeutung; K-40 zählt zu den radioaktiven Substanzen, bei denen auch hohe Aktivitäten nicht zu einer Einstufung als hochradioaktive Strahlenquelle führen.
Die Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) führt für das Isotop Kalium-40 folgende Freigrenzen, Freigabewerte sowie andere Werte als radioaktive bzw. hochradioaktive Strahlenquelle auf (Weitere Daten, Erläuterungen: siehe dort):
Uneingeschränkte Freigabe von festen und flüssigen Stoffen.
Kernisomere
Kernisomere Nuklide bzw. angeregte Zustände mit der auf den Grundzustand bezogenen Aktivierungsenergie in keV.
| Bezeichnung | Anregungsenergie | Halbwertszeit | Kernspin |
|---|---|---|---|
| 40mK | 1643,638(11) keV | 0,336(13) μs | 0+ |
Isotone und Isobare Kerne
Die folgende Tabelle zeigt zum Nuklid Kalium-40 isotone (gleiche Neutronenzahl N = 21) und isobare (gleiche Nukleonenzahl A = 40) Atomkerne. Natürlich auftretende Isotope sind grün markiert; hellgrün = Radionuklide.
| OZ | Isotone N = 21 | Isobare A = 40 |
|---|---|---|
| 9 | 30F | |
| 10 | 31Ne | |
| 11 | 32Na | |
| 12 | 33Mg | 40Mg |
| 13 | 34Al | 40Al |
| 14 | 35Si | 40Si |
| 15 | 36P | 40P |
| 16 | 37S | 40S |
| 17 | 38Cl | 40Cl |
| 18 | 39Ar | 40Ar |
| 19 | 40K | 40K |
| 20 | 41Ca | 40Ca |
| 21 | 42Sc | 40Sc |
| 22 | 43Ti | 40Ti |
| 23 | 44V | 40V |
| 24 | 45Cr | |
| 25 | 46Mn | |
| 26 | 47Fe | |
| 27 | 48Co | |
| 28 | 49Ni |
Externe Daten und Identifikatoren
Literatur und Quellen
[1] - D. W. Engelkemeir, K. F. Flynn, L. E. Glendenin:
Positron Emission in the Decay of 40K.
In: Physical Review, 126,1818, (1962), DOI 10.1103/PhysRev.126.1818.
[2] - H. Leutz, G. Schulz, H. Wenninger:
The decay of potassium-40.
In: Zeitschrift für Physik, (1965), DOI 10.1007/BF01387190.
[3] - A. Ažman, A. Moljk, J. Pahor:
Electron capture in potassium 40.
In: Zeitschrift für Physik A, (1968), DOI 10.1007/BF01379914.
[4] - W. Sahm, A. Schwenk:
39K, 40K and 41K Nuclear Magnetic Resonance Studies.
In: Zeitschrift für Naturforschung A, (2014), DOI 10.1515/zna-1974-1208.
[5] - Jack Carter, Ryan B. Ickert, Darren F. Mark et al.:
Production of 40Ar by an overlooked mode of 40K decay with implications for K-Ar geochronology.
In: Geochronology, 2(2), 355–365, (2020), DOI 10.5194/gchron-2-355-2020.
[6] - Nicole X. Nie et al.:
Meteorites have inherited nucleosynthetic anomalies of potassium-40 produced in supernovae.
In: Science, 379, 6630, 373-376, (2023), DOI 10.1126/science.abn178.
Letzte Änderung am 04.12.2023.
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