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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 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

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)Massendefekt:0,366640644 u (pro Atomkern)Kernbindungsenergie:341,52356004 MeV (pro Atomkern)
8,538089 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 JahreZerfallskonstante λ:1,761182124173 × 10-17 s-1Spezifische Aktivität α:271950,94440454 Bq g-1
7,35002552444 × 10-6 Ci g-1
Kernspin:4-Kernmagnetisches Moment:μ(μN) = -1,298100(3)Ladungsradius:3,4381(28) Femtometer fmSpiegelkern:Scandium-40Entdeckungsjahr:1935

 

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]. Über einen ersten Beweis für diesen Zerfallsmodus wurde 2023 berichtet [7].

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.

ZerfallProduktAnteilZerfallsenergieγ-Energie
(Intensität)
β-40Ca89,28(11) %1,31089(6) MeV
EE/β+40Ar10,72(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 - 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 ArAnteilHalbwertszeitSpin
Kalium
Isotopengemisch
39,0983 u100 %
Isotop 39K38,96370649(3) u93,2581(44) %stabil3/2+
Isotop 41K40,96182526(3) u6,7302(44) %stabil3/2+
Isotop 40K39,9639982(4) u0,0117(1) %1,248(3) × 109 Jahre4-

 

NMR-Daten

Nuklearmagnetische Eigenschaften und Daten für das NMR-aktive Nuklid 40K.

Bezeichnung:40K-NMRAnteil:0,0117(1) %Kernspin:4-Kernmagnetisches Moment
μ/μN:
-1,298100(3)Gyromagnetisches Verhältnis γ:–1,5542854 · 107 rad T-1 s-1Nuklearer g-Faktor:gl = -0,324525Quadrupol-Moment Q:-0,073(1) barn (100 fm2)Resonanz-Frequenz:v0 = 2,4737 bei 1 TFrequenzverhältnis:Ξ(40K) = 5,802018 %Relative Empfindlichkeit:0,00523 (H0 = const.)
1,5493 (v0 = const.)
[bezogen auf 1H = 1,000]
Referenzsubstanz:Kaliumchlorid-Lösung aus 0,1 M KCl in Deuteriumoxid (D2O).

 

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-40Freigrenze:106 BqFreigrenze 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] - 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.

[7] - L. Hariasz et al.:
Evidence for ground-state electron capture of 40K.
In: Physical Review C, 108, 014327, (2023), DOI 10.1103/PhysRevC.108.014327.

 


Letzte Änderung am 23.08.2024.


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