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Kalium-40

Daten und Eigenschaften des Isotops K-40.



40K  
19  

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

Bezeichnung des Isotops:Kalium-40, K-40Englische Bezeichnung:Potassium-40Symbol:40KMassenzahl A:40Kernladungszahl Z:19 (= Anzahl der Protonen)Neutronenzahl N:21Isotopenmasse:39,9639982(4) u (Atommasse)Nuklidmasse:39,9535754 u (berechnete Kernmasse ohne Elektronen)Massenexzess:-33,53546 MeV (Massenüberschuss)Kernbindungsenergie:1229,77337588 MeV (pro Atomkern)
30,7443344 MeV (Bindungsenergie im ∅ pro Nukleon)
Separationsenergie:SN = 7,79962(6) MeV (Trennungsenergie 1. Neutron)
SP = 7,582(5) MeV (Trennungsenergie 1. Proton)
Halbwertszeit:1,248(3) × 109 JahreKernspin:4-Ladungsradius:3,4381(28) Femtometer fmEntdeckungsjahr:1935

 

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.

ZerfallProduktAnteilZerfallsenergieγ-Energie
(Intensität)
β- zu40Ca89,28(11) %1,31089(6) MeV
ε zu40Ar10,72(11) %1,50440(6) MeV1,460820(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 ArAnteilHalbwertszeitSpin
Kalium
Isotopengemisch
39,0983 u100 %
Isotop 39K38,96370649(3) u93,2581(44) %stabil3/2+
Isotop 40K39,9639982(4) u0,0117(1) %1,248(3) × 109 Jahre4-
Isotop 41K40,96182526(3) u6,7302(44) %stabil3/2+

 

NMR-Daten

40K zählt zu den NMR-aktiven Nukliden.

Bezeichnung:40K-NMRAnteil:0,0117(1) %Kernspin:4-Kernmagnetisches Moment
μ/μN:
-1,29797(3)Quadrupol-Moment
Q fm-2:
-7,50(8)Resonanz-Frequenz
v0 bei 1 T:
2,4737Relative Empfindlichkeit:0,00523 (H0 = const.)
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):

Bezeichnung:K-40Freigenze:106 BqFreigenze pro Gramm:100 Bq/g
Uneingeschränkte Freigabe von festen und flüssigen Stoffen.
Aktivität HRQ:Unbegrenzt (UL)Oberflächenkontamination:10 Bq/cm2Halbwertszeit:1,3 × 109 Jahre

 

Kernisomere

Kernisomere Nuklide bzw. angeregte Zustände mit der auf den Grundzustand bezogenen Aktivierungsenergie in keV.

BezeichnungAnregungsenergieHalbwertszeitKernspin
40mK1643,638(11) keV0,336(13) μs0+

 

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.

 

OZIsotone N = 21Isobare A = 40
930F
1031Ne
1132Na
1233Mg40Mg
1334Al40Al
1435Si40Si
1536P40P
1637S40S
1738Cl40Cl
1839Ar40Ar
1940K40K
2041Ca40Ca
2142Sc40Sc
2243Ti40Ti
2344V40V
2445Cr
2546Mn
2647Fe
2748Co
2849Ni

 

Externe Daten und Identifikatoren

CAS-Nummer:13966-00-2InChI Key:ZLMJMSJWJFRBEC-OUBTZVSYSA-NInChI Code:[40K]PubChem:ID 6328542Energieniveaus:NuDat 40K (Adopted Levels, Gammas)

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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