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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 Billionen Jahren; irdisches Kalium besteht zu etwa 0,0117 % (117 ppm) aus diesem Isotop, das für die schwache natürliche Radioaktivität des Alkalimetalls verantwortlich ist.
Siehe auch: Übersicht über die Kalium-Isotope.
Allgemeine Daten
8,538089 MeV (Bindungsenergie im ∅ pro Nukleon)
SP = 7,582(5) MeV (Trennungsenergie 1. Proton)
Radioaktiver Zerfall
Kalium-40 ist ein seltenes Beispiel für ein Isotop, das beide Arten des Beta-Zerfalls durchläuft. In etwa 89,28 % der Ereignisse zerfällt es unter Emission eines Beta-Partikels β- (eines Elektrons) und eines Antineutrinos zu Calcium-40. Zu etwa 10,72 % zerfällt es durch Elektroneneinfang unter Emission eines Neutrinos und anschließend eines Gammastrahls von 1,460 MeV zu Argon-40.
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.
Sehr selten (0,001% der Ereignisse) zerfällt es durch Emission eines Positrons (β+) und eines Neutrinos ebenfalls zu 40Ar.
Der radioaktive Zerfall von 40K ist 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, die vor der Erdentstehung stattfanden.
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 (Anteil am Isotopengemisch):
| 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
40K zählt zu den NMR-aktiven Nukliden.
μ/μN:
Q fm-2:
v0 bei 1 T:
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] - H. Leutz, G. Schulz, H. Wenninger:
The decay of potassium-40.
In: Zeitschrift für Physik, (1965), DOI 10.1007/BF01387190.
[2] - A. Ažman, A. Moljk, J. Pahor:
Electron capture in potassium 40.
In: Zeitschrift für Physik A, (1968), DOI 10.1007/BF01379914.
[3] - W. Sahm, A. Schwenk:
39K, 40K and 41K Nuclear Magnetic Resonance Studies.
In: Zeitschrift für Naturforschung A, (2014), DOI 10.1515/zna-1974-1208.
Letzte Änderung am 24.10.2020.
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