Tag 3 - Institut für Kernchemie

Kernchemisches Praktikum I
α- Zerfall
Institut für Kernchemie
Universität Mainz
Verena Nagel
Folie Nr. 1
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
• 1896 Henri Becquerel: Schwärzung von Fotoplatten durch Uransalze
• Piere und Marie Curie: Isolieren Radium und Polonium
• 1899 Ernest Rutherford: Strahlungsarten unterscheidbar anhand
Durchdringungsvermögen α, β, γ-Strahlen
• 1911 Rutherford: Streuexperimente mit Alphastrahlung
Rutherfordsches Atommodell
• 1913 Kasimir Fajans, Frederik Soddy: radioaktiven
Verschiebungssätze
Historie
• 1919 Rutherford: erste Kernreaktion 14 N(α,p) 17 O
• 1933 George Gamow: Alphazerfall durch Tunneleffekt
Folie Nr. 2
Verena Nagel
Datum: 30.04.2012

Kernchemisches Praktikum I
Alpha- Zerfall
A
Z
X
N
A4
Y
4
He
Z 2 N 2
2 2
Z > 83 (Bi)
Folie Nr. 3
Verena Nagel
Datum: 30.04.2012

Kernchemisches Praktikum I
α- Cluster-Modell
Folie Nr. 4
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
α- Zerfall
α- Zerfall
-Teilchen: monoenergetisch
Reichweite in Luft: wenige cm
Bsp: α- Strahlen in einer Nebelkammer (1911)
v
Reichweite α- Energie
Reichweite-Messung war
lange Zeit einzige Möglichkeit
zur Energiebestimmung
(Alternativ: Magnetspektrograph)
v
= B x r x Zxe/m
Folie Nr. 5
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Reichweite von α- Teilchen in Luft
Startenergie:
3,5 MeV
Folie Nr. 6
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Biologische Wirkung
• äußere Einwirkung relativ ungefährlich durch geringe
Reichweite
• Inkoporation äußerst gefährlich aufgrund hohem
Ionisierungsvermögen Dosisabschätzung schwierig, daher
Pharmakokinetik des Nuklids wichtig
• Anreicherung in Organen hohe Strahlendosis auf kleinem
Raum
• Strahlenkrankheit: Auswirkung je nach Dosis Übelkeit, Fieber,
innere Blutungen, Kopfschmerzen
• Strahlungswichtungsfaktor: Strahlungsart und kinet. Energie
α: 20 β,γ: 1
• Radontherapie: Heilbäder mit niedrig dosiertem Radon
Arthritis, Asthma, Neurodermitis
Folie Nr. 7
Verena Nagel
Datum: 30.04.2012

Kernchemisches Praktikum I
Energiediagramm für Zerfall des 226 Ra
des 226 Ra
Folie Nr. 8
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Impulsrate [min -1 ]
Kernchemisches Praktikum I
Energiediagramm für den α – Zerfall des 210 Po
(gg – Kern, Grundzustandszerfall)
5000
4000
α– Spektrum 210 Po
a ~ 100% (5,305 MeV)
Q a = 5,408 MeV
210
Po (138d)
3000
2000
1000
206
Pb (stabil)
allgemein: Zerfall in
angeregte Tochterzustände
0
4,5 5,0 5,5 6,0
Energie [MeV]
Folie Nr. 9
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
- Spektroskopie
Gesamtenergie:
E
E
E K
E : Energie des
- Teilchens
E K : Rückstoßenergie des Tochterkerns
Es gilt Impulserhaltung:
m
v
a
m
k
v
k
E m v 2
2
m
E
m
K
E
K
E
K
m
m
K
E
Rückstoßenergie des Tochterkerns liegt üblicherweise bei
0.1 MeV
mm – Reichweite in Luft
chemische Bindung werden gebrochen
Folie Nr. 10
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
– Spektroskopie
• Ionisationskammern
• Proportionalzähler
• Halbleiterdetektoren
• Szintillationszähler
-Teilchen: Absorption im Präparat und Absorption zwischen
Präparat und Detektor
ideal: Gas in Ionisationskammer
Festoffe: dünne Schichten (wenige g/cm 2 )
Vakuum zwischen Probe und Detektor
Folie Nr. 11
Verena Nagel
Datum: 30.04.2012

Kernchemisches Praktikum I
Potentialverlauf
9 MeV
4 MeV
Z1Z
2e
R
RK R
RK
1/ 3
r0 A , r0
1,
3 fm
Höhe des Coulomb – Walls:
R
2
V c
Folie Nr. 12
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Theorie des -Zerfalls - Tunneleffekt (Gamow)
Tunneleffekt: Reflektierte und transmittierte Welle am endlichen Kastenpotential
Tunnelwahrscheinlichkeit P für
ein endliches Kastenpotential:
P
exp
2
2
R
R
Vc ( r)
E
dr
Zerfallskonstante :
f P;
v
f
: Anklopffrequenz des
2R
-Teilchens
Folie Nr. 13
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Zusammenhang zwischen Reichweite und Zerfallskonstante für die
drei natürlichen radioaktiven Zerfallsreihen
Geiger Nutall 1911
Lg λ = a* lg R + b
Folie Nr. 14
Verena Nagel
Datum: 30.04.2012

Kernchemisches Praktikum I
Geiger - Nuttal - Regel:
T
1/ 2
1
1
P
G
e
P
exp
2
2
R
R
Vc ( r)
E
dr
für Coulombpotential
und R

Kernchemisches Praktikum I
Natürliche Zerfallsreihen
α-Zerfall: A‘ = A – 4; Z‘ = Z – 2 (Soddy – Fayans)
β-Zerfall: A‘ = A; Z‘ = Z + 1
Zerfallsreihen: aus primordialen Kernen
Für alle Kerne einer Zerfallsreihe gilt:
A = 4n + s mit s = 0, 1, 2, 3
Radioisotope am Ende der Nuklidkarte
Verzweigungen:
A
b a
a b
B
A Reihe Mutterkern T 1/2
[a] Produkte
4n Thorium
232
Th 1,40x10 10 208
Pb
4n+1 Neptunium
237
Np 2,14x10 6 209
Bi
4n+2 Uran-Radium
238
U 4,47x10 9 206
Pb
4n+3 Actinium
235
U 7,04x10 8 207
Pb
bei Untersuchung der natürlichen Radioaktivität gefunden
Folie Nr. 16
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Natürliche Zerfallsreihen
Folie Nr. 17
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
Anwendungen für α-Strahler:
Rauchmelder mit 241 Am: Ionisationsrauchmelder messen die
Leitfähigkeit der durch α-Strahlen ionisierten Luft, die durch
Rauch vermindert wird
Isotopenbatterien mit 238 Pu: Die von starken α-Präparaten
abgegebene Wärme wird zur Energiegewinnung in Radioisotopenbatterien
verwendet → Energiequelle für Satelliten
Ein 238 Pu-Pellet glüht durch die infolge
α-Zerfalls frei werdende Wärmemenge
Folie Nr. 18
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel

Kernchemisches Praktikum I
231
Pa
Heute
….
, 32000 a
Heute
Zerfallsreihe 4n + 3 - Actinium ( 235 U)
219
Rn
215
Po
211
Pb
211
Bi
207
Tl
, 4 s
, 1.8 ms
, 36 min
, 2.2 min
, 4.8 min
207
Pb stabil
Auftrennung der natürlichen Zerfallsreihen
sehr kleine Substanzmengen
radiochemische Methoden,
Radonisotope in jeder Zerfallsreihe
Unterteilung
Emaniervermögen:
Bruchteil des gebildeten Edelgases, der aus
einem Festkörper austritt
f (Festkörper, T 1/2 Isotop, E Rückstoß , Temp.)
215
Po
219
Rn
Objektträger
Folie Nr. 19
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel
231
Pa

Kernchemisches Praktikum I
1. Nachbildung von 211 Bi aus 211 Pb (α-Messung)
In zwei BG ansetzen:
1.) 2 mg Pb 2+ -Träger und aktive Lösung (steht im RG aus)
2.) 2 mg Pb 2+ -Träger + 10 ml Wasser + 1 ml 2 N H 2 SO 4 .
Bei RT Bleisulfat fällen. Sobald der Niederschlag deutlich
sichtbar ist, Inhalte der beiden BG vereinigen. Ab jetzt zügig
arbeiten. Nach ca. 10 s Mischen, über MF absaugen, feucht auf
einen abgeklebten Präparateträger kleben und am
Proportionalzähler 100 x 30 s messen mit UTC. Auswertung: Die
HWZen beider Komponenten bestimmen.
2. Nachbildung von 207 Tl aus 211 Bi
Aktivität (wie in Versuch 1) + 2 mg Pb 2+ -Träger + 5 ml Wasser im
100 ml BG (wegen Siedeverzug!) erhitzen. In der Siedehitze
rundes Ni-Blech ca. 2 min lang in der Lösung bewegen. 211 Bi
scheidet sich durch Redoxreaktion auf dem Ni ab. Blech mit
wenig 0,1 N HCl und Wasser spülen, auf abgeklebtem
Präparateträger mit Tesa fixieren und im GMZ messen: 30x30 s,
20x60 s, 5 min Pause, 2x300 s (Untergrund). Auswertung:
Sinnvolle UG-Korrektur (langlebiges Pb extrapolieren); HWZen
beider Komponenten bestimmen
3. Eichmessung am OSZ
Zwei Standardpräparate, 148 Gd (E α = 3,183 MeV) und 241 Am (E α
= 5,486 MeV) gleichzeitig unter den Detektor bringen und 5 min
messen. Auswertung: Schwerpunkte der Peaks bestimmen und
gegen die Energie Auftragen → Kanal-Energieeichung.
4. Zerfall von 211 Bi: α-Messung am OSZ
211
Bi wie in Versuch 2 auf Ni-Blech abscheiden. Blech unbedeckt
auf einem abgeklebten Präparateträger möglichst dicht vor den
OSZ legen, mit UTC messen: 40x30 s, 2x5 min (Untergrund).
Zugleich α-Spektrum von 211 Bi mit dem MCA aufnehmen.
Auswertung: α-Energien, die FWHM der Peaks und die relativen
Intensitäten. Woher stammt der Peak bei der höchsten α-Energie?
Bestimme das Verzweigungsverhältnis relativ zu den beiden
Hauptlinien.
5. Zerfall von 207 Tl
In einen Objektträger wurde über Nacht 215 Po implantiert. Eine
saubere Glasplatte exakt 5 min auf diesen OT legen. Beim
Herunternehmen Stoppuhr starten (t = 0), Uhrzeit notieren. Glas
mit Aceton abwischen, um äusserlich anhaftende Aktivität zu
entfernen und im GMZ messen: 54x30 s im 2. Einschub.
Auswertung: Nach dem Abziehen des Nulleffekts HWZ
bestimmen. Auf Zählrate bei t = 0 (Bestrahlungsende)
zurückextrapolieren. Die extrapolierten Anfangszählraten des
Versuchs 5 auf Detektor der Gruppe 1 normieren:
Entsorgung: sortiert nach Ni-Blechen, flüssig, fest in ausgestellte
BG zum Abklingen.
Folie Nr. 20
Datum: 30.04.2012
Verena Nagel