Ein Clusterzerfall (oder Clusteremission, englisch cluster decay) ist ein sehr selten auftretender radioaktiver Zerfallstyp. Dabei wird ein leichter Atomkern emittiert, der schwerer als ein Alpha-Teilchen, aber mit 6 bis 14 Prozent der Masse des Mutterkerns wesentlich leichter als die typischen Spaltfragmente der Kernspaltung ist. Außerdem werden keine Neutronen freigesetzt.

Als emittierte Cluster beobachtet wurden bisher Kerne zwischen Kohlenstoff-14 und Silicium-34. Es handelt sich überwiegend nicht um die jeweils stabilsten Kerne zu ihrer Ordnungszahl, sondern um deren Isotope mit höherem Neutronenüberschuss, entsprechend dem Neutronenüberschuss des Mutterkerns.

Der Clusterzerfall wurde von Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru und Walter Greiner 1980 theoretisch vorhergesagt.^[1] H. J. Rose und George Arnold Jones erbrachten 1983 an der University of Oxford den ersten experimentellen Nachweis, der Anfang 1984 in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.^[2] Sie stellten fest, dass das Radiumisotop Radium-223 (ein Alpha-Strahler mit einer Halbwertszeit von 11,43 Tagen) unter Emission eines Kohlenstoff-14-Atomkerns direkt zu Blei-209 zerfallen kann:

${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 88}^{223}Ra\to {}_{\ 82}^{209}Pb+{}_{\ 6}^{14}C} }$

Der Clusterzerfall wurde bisher nur bei einigen alphastrahlenden Radionukliden mit Ordnungszahlen ab 87 (Francium) beobachtet. Aufgrund dieses Auftretens von Cluster- und Alpha-Zerfall beim gleichen Nuklid spricht man bei den betroffenen Nukliden von einem dualen Kernzerfall. Der Clusterzerfall kann kernphysikalisch als stark asymmetrische Kernspaltung verstanden werden.^[3] Der Name „Cluster“ (engl. cluster, etwa „Klumpen“) wurde gewählt, weil das emittierte Teilchen eine „Anhäufung“ von mehr als je zwei Protonen und Neutronen ist.

Die Wahrscheinlichkeit für einen Clusterzerfall ist im Vergleich zum Alpha-Zerfall um den Faktor 10⁹ bis 10¹⁶ geringer.^[4] Nach bisherigen Beobachtungen haben die emittierten Cluster eine Protonenanzahl zwischen 6 und 14. Die bevorzugt emittierten Cluster sind Kohlenstoff-14, Neon-24 und Magnesium-28. Auffallend oft sind die Zerfallsprodukte Kerne mit „magischen“ Protonen- oder Neutronenzahlen, was zu einer erhöhten Stabilität führt. Im Fall der Tochterkerne sind es die Protonenzahl Z=92 (^207…212Pb) und die Neutronenzahl N=126 (²⁰⁶Hg, ²⁰⁷Tl, ²⁰⁸Pb, ²⁰⁹Bi). Bei den Clustern sind es die Zahlen Z=8 (¹⁸O, ²⁰O), N=8 (¹⁴C, ¹⁵N), N=20 (³⁴Si) sowie die oft ebenfalls als magisch bezeichnete Zahlen Z=14 (³²Si, ³⁴Si) und N=14 (²³F, ²⁴Ne).

Die Ausstoßgeschwindigkeit des Clusters liegt zwischen 16000 und 22000 km/s, die Rückstoßgeschwindigkeit des Tochterkern zwischen 1100 und 3600 km/s.

Bei einigen Radionukliden sind bis zu vier Möglichkeiten des Clusterzerfalls beobachtet worden, beispielsweise drei bei dem in der Natur vorkommenden Uranisotop Uran-234: die Emission eines Neon-24-, eines Neon-26- oder eines Magnesium-28-Kerns.

Zerfall	Verzweigungs- verhältnis	E (MeV)	Geschwindigkeit (km/s)
			Cluster	Tochterkern
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{210}Pb+{}_{10}^{24}Ne} }$	0,9·10−9	60,485	020.866	002.390
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 82}^{208}Pb+{}_{10}^{26}Ne} }$	0,9·10−9	60,776	020.024	002.503
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 80}^{206}Hg+{}_{12}^{28}Mg} }$	1,4·10−9	74,225	021.222	002.884
Zum Vergleich: Alpha-Zerfall
${\displaystyle \mathrm {{}_{\ 92}^{234}U\to {}_{\ 90}^{230}Th+\alpha } }$	≈100	04,859	016.567	000.264

Die Tabellen geben eine Übersicht über experimentell nachgewiesene Clusterzerfälle.^[5][6]

Cluster-Zerfall	Magische Zahl(en)	E (MeV)	${\displaystyle \lg {\frac {T_{1/2}}{\mathrm {s} }}}$
221Fr → 207Tl + 14C	N=126; N=8	31,292	14,52
221Ra → 207Pb + 14C	Z=82; N=8	32,395	13,39
222Ra → 208Pb + 14C	Z=82, N=126; N=8	33,049	11,01
223Ra → 209Pb + 14C	Z=82; N=8	31,828	15,20
224Ra → 210Pb + 14C	Z=82; N=8	30,535	15,68
226Ra → 212Pb + 14C	Z=82; N=8	28,196	21,19
223Ac → 209Bi + 14C	N=126; N=8	33,064	12,60
223Ac → 208Pb + 15N	Z=82, N=126; N=8	39,473	> 14,76
225Ac → 211Bi + 14C	N=8	30,476	17,16
226Th → 208Pb + 18O	Z=82, N=126; Z=8	45,726	> 15,30
228Th → 208Pb + 20O	Z=82, N=126; Z=8	44,722	20,72
230Th → 206Hg + 24Ne	N=126; (N=14)	57,761	24,61
232Th → 208Hg + 24Ne	(N=14)	54,509	> 29,20
232Th → 206Hg + 26Ne	N=126	55,964	> 29,20
231Pa → 208Pb + 23F	Z=82, N=126	51,843	26,02
231Pa → 207Tl + 24Ne	N=126; (N=14)	60,410	23,23
230U  → 208Pb + 22Ne	Z=82, N=126	61,387	19,57
232U  → 208Pb + 24Ne	Z=82, N=126; (N=14)	62,309	21,08
232U  → 204Hg + 28Mg	—	74,318	> 22,26
233U  → 209Pb + 24Ne	Z=82; (N=14)	60,485	24,83
233U  → 208Pb + 25Ne	Z=82, N=126	60,776	24,84
233U  → 205Hg + 28Mg	—	74,225	> 27,59
234U  → 210Pb + 24Ne	Z=82; (N=14)	58,825	25,92
234U  → 208Pb + 26Ne	Z=82, N=126	59,464	25,92
234U  → 206Hg + 28Mg	N=126	74,110	27,54
235U  → 211Pb + 24Ne	Z=82; (N=14)	57,362	27,42
235U  → 210Pb + 25Ne	Z=82	57,756	27,42
235U  → 207Hg + 28Mg	—	72,158	> 28,10
235U  → 206Hg + 29Mg	N=126	72,485	> 28,09
236U  → 212Pb + 24Ne	Z=82; (N=14)	55,944	> 25,90
236U  → 210Pb + 26Ne	Z=82	56,744	> 25,90
236U  → 208Hg + 28Mg	—	70,564	27,58
236U  → 206Hg + 30Mg	N=126	72,303	27,58
237Np → 207Tl + 30Mg	N=126	74,818	> 26,93
236Pu → 208Pb + 28Mg	Z=82, N=126	79,669	21,67
238Pu → 210Pb + 28Mg	Z=82	75,911	25,70
238Pu → 208Pb + 30Mg	Z=82, N=126	76,823	25,70
238Pu → 206Hg + 32Si	N=126; (Z=14)	76,823	25,70
240Pu → 206Hg + 34Si	N=126; N=20, (Z=14)	91,191	25,27
241Am → 207Tl + 34Si	N=126; N=20, (Z=14)	93,927	> 24,41
242Cm → 208Pb + 34Si	Z=82, N=126; N=20, (Z=14)	96,510	23,15

Man beachte die Häufung bei „magischen“ Tochterkernen (Z=82, N=126) und Clustern (Z=8, N=8, N=14, N=20).

Die detaillierte Liste enthält folgende Angaben:

• beteiligte Kerne: Mutterkern → Tochterkern + Cluster,
• als Protonen- (Z) oder Neutronenzahl (N) der Zerfallsprodukte auftretende Magische Zahl(en),
• freigesetzte Energie E in MeV, messbar als Massendefekt ${\displaystyle \ \ \ E=(m_{\text{Mutterkern}}-m_{\text{Tochterkern}}-m_{\text{Cluster}})\cdot c^{2}}$ ,
• dekadischer Logarithmus der (fiktiven) partiellen Halbwertszeit in Sekunden: ${\displaystyle \lg T_{1/2}\,/\,{\mathrm {s} }}$.

• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 1 (= Lecture Notes in Physics. Band 818). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-13898-0.
• Christian Beck (Hrsg.): Clusters in Nuclei. Band 2 (= Lecture Notes in Physics. Band 848). Springer, 2012, ISBN 978-3-642-24706-4.
• Doru S. Delion: Theory of Particle and Cluster Emission. (= Lecture Notes in Physics. Band 819). Springer, 2010, ISBN 978-3-642-14405-9.

1. ↑ Aureliu Săndulescu, Dorin N. Poenaru, Walter Greiner: New type of decay of heavy nuclei intermediate between fission and a decay. In: Soviet Journal of Particles and Nuclei. Band 11, Nummer 6, 1980, S. 528–541 (= Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnoya Yadra). Band 11, 1980, S. 1334 (online).
2. ↑ H. J. Rose, G. A. Jones: A new kind of natural radioactivity. In: Nature. Band 307, Nummer 5948, 19. Januar 1984, S. 245–247, doi:10.1038/307245a0.
3. ↑ K. Bethge, G. Walter. W. Wiedemann: Kernphysik. 2. Auflage. Springer 2001, ISBN 3-540-41444-4, S. 236.
4. ↑ K. H. Lieser: Nuclear and Radiochemistry. 2001, ISBN 3-527-30317-0, S. 67.
5. ↑ K. P. Santhosh, B. Priyanka, M. S. Unnikrishnan: Cluster decay half lives of trans-lead nuclei within the Coulomb and proximity potential model. In: Nuclear Physics A. Band 889, 2012, S. 29–50, doi:10.1016/j.nuclphysa.2012.07.002, arxiv:1207.4384.
6. ↑ Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas (Hrsg.): Handbook of Nuclear Chemistry. Vol. 1: Basics of Nuclear Science. 2. Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-1-4419-0719-6, S. 840–841.

• Literaturübersicht
• D. N. Poenaru, W. Greiner: Cluster radioactivity – past, present and future. Workshop on State of the Art in Nuclear Cluster Physics, May 13–16, 2008, Strasbourg (theory.nipne.ro PDF, 52 Seiten).