Das Experiment Becquerels

Wissenschaftliche Experimente von besonderem historischem Interesse.

Moderator: Moderatoren

Benutzeravatar
Pok
Gesperrt
Beiträge: 1636
Registriert: Montag 19. August 2013, 01:03
Kontaktdaten:

Beitrag von Pok »

Aktivität heißt ja Zerfälle pro Zeiteinheit. Nach meiner Logik und nach den Abbildungen bei Wikipedia ist es korrekt. Zumindest, wenn die HWZ des Mutternuklids weit über der HWZ jedes einzelnen Nuklids der Zerfallsreihe ist. Dann sieht es so aus wie im 1. Bild in meinem letzten Post (säkulares Gleichgewicht). Bei U-238 und Th-232 sind die Unterschiede der HWZ zu ihren Zerfallsprodukten so extrem, dass genau das zutrifft.

Im radioaktiven Gleichgewicht zerfallen die Zerfallsprodukte in der gleichen Geschwindigkeit, wie sie gebildet wurden. Und jede Bildung ist ein Zerfall, also in "Klick". Jeder Zerfall des Zerfallsprodukts ist wieder ein "Klick". Also haben wir im Gleichgewicht von 2 Nukliden gleich 2 Klicks. Vorher war es nur 1.

Die freigesetzte Energie aber wird nicht 10-fach so hoch sein, da die Zerfälle ja unterschiedlich viel Energie freisetzen.

Benutzeravatar
Pok
Gesperrt
Beiträge: 1636
Registriert: Montag 19. August 2013, 01:03
Kontaktdaten:

Beitrag von Pok »

Ich hab endlich ein cooles online-Tool gefunden. 8)
Meine Skizze ist demnach richtig was die 2 Anstiege und den zeitlichen Ablauf angeht.

Bild


Bild

Hier wurde mit 1 g Uran-238 begonnen = 12,4 kBq

Aber man sieht, dass die Gesamtaktivität mit den Zerfallsprodukten jeweils etwas höher ist, als ich vermutet hatte. Nach 100-300 Tagen etwas mehr als 3-fach und nach 1-3 Mio. Jahren nicht 10-fach, sondern ca. 14-fach höher als zu Beginn. :conf: Es sieht so aus, als läge das an "Neben-Zerfallsreihen", die in dem Diagramm von lemmi nicht enthalten sind.

Man kann sich sogar alle Zerfallsprodukte auflisten lassen und gucken, welchen Anteil sie dran tragen. Man sieht: in abgereichertem (idealisiert 100 % U-238) Uran ist nach 100 Jahren so wenig Radium enthalten (rot nachgezeichnete Kurve), dass es weniger als 1 Millionstel zur Gesamtaktivität des Präparats beiträgt.

Bild

Bei Thorium-232 läuft es aber genau so ab, wie vorhergesagt (1 g Th-232 mit 4,1 kBq zu Beginn):

Bild

Nach 30-40 Jahren hat sich die Gesamtaktivität aufs 10-Fache erhöht.

Bild


Noch was Lustiges: man sagt zwar, dass Thorium nur "schwach" radioaktiv ist, aber 1 g Thorium-232 wird nach 22-23 Jahren praktisch genauso radioaktiv wie 1 g Uran-238 (sogar noch etwas mehr). Erst nach ca. 40.000 Jahren holt Uran mit dessen Zerfallsprodukten auf.

Bild

lemmi hat geschrieben:Noch eine Überlegung: das Thoriumpräparat gibt Radon ab , das seinerseits aus dem Zerfallsprodukt Radium entsteht. Wenn ich alles Radium ausfälle, z. B. mit Bariumsulfat, müsste ein Thoroumpräparat resultieren, das so gut wie kein Radon mehr abgibt. Die Radonbildung würde erst nach > 25 Jahren wieder auf das Ursprungsniveau ansteigen.

Korrekt?
Ja. ;-)
1 Monat nach deiner hypothetischen Behandlung würde das Präparat erst ca. 1 Zehntausendstel der Radonmenge abgeben wie vorher.

Bild

Benutzeravatar
Pok
Gesperrt
Beiträge: 1636
Registriert: Montag 19. August 2013, 01:03
Kontaktdaten:

Beitrag von Pok »

lemmi hat geschrieben:Offensichtlich ist das Uransalz stärker radioaktiv als die Thoriumverbindung, denn die entsprechenden Flecke sind viel dunkler.
Der Satz dürfte laut meinem vorletzten Diagramm also nicht ganz zutreffen, falls das Thoriumpräparat nicht jünger als 22-23 Jahre ist. Beide Präparate müssten ziemlich gleich stark radioaktiv sein.

Die stärkere Färbung beim Uran-Präparat könnte an einer größeren Menge liegen, die du ggf. eingesetzt hast. Abgesehen davon hängt die Schwarzfärbung vermutlich ja nicht von der Radioaktivität ab (Anzahl d. Kernzerfälle pro Zeit), sondern von der Energie und der Strahlungsart, die dabei freigesetzt wird.

Der Mittelwert der Zerfallsenergie der 2 relevanten, beta-strahlenden (!) Zerfallsprodukte von U-238 liegt bei 1,25 MeV (Einzelwerte: 0,27 + 2,27). Die Energie der Thorium-Zerfallsprodukte liegt im Mittelwert aber nur bei 0,6 MeV (Einzelwerte: 0,04 + 2,1 + 0 + 0 + 0 + 0 + 0,57 + 2/3*2,3 + 0 + 1/3*5) - Nullen sind Nuklide, die nur Alpha-Strahlung aussenden, aber dennoch genauso zur Gesamtaktivität beitragen.

1 g (mind. 100 Tage altes) Uran müsste den Film also doppelt so stark färben wie 1 g (mind. 22 Jahre altes) Thorium, weil die Tochternuklide von Thorium z.T. Alphastrahler sind, also keine Wirkung auf den mit Papier ummantelten Film haben. Falls das Thorium jünger ist und/oder mehr Uran als Thorium im Experiment eingesetzt wurde, wäre der Unterschied noch stärker.

Benutzeravatar
lemmi
IllumiNobel-Gewinner 2012
Beiträge: 4362
Registriert: Freitag 6. Januar 2012, 09:25

Beitrag von lemmi »

Da mein Thoriumhydroxid deutliche Mengen Radon freigesetzt hat,muss es schon ein paar Jahre auf dem Buckel haben, wie wir oben gezeigt haben.
"Alles sollte so einfach wie möglich gemacht werden. Aber nicht einfacher." (A. Einstein 1871 - 1955)

"Wer nur Chemie versteht, versteht auch die nicht recht!" (G.C. Lichtenberg, 1742 - 1799)

"Die gefährlichste Weltanschauung ist die Weltanschauung der Leute, die die Welt nie gesehen haben." (Alexander v. Humboldt, 1769 - 1859)

Benutzeravatar
Pok
Gesperrt
Beiträge: 1636
Registriert: Montag 19. August 2013, 01:03
Kontaktdaten:

Beitrag von Pok »

lemmi hat geschrieben:Noch eine Überlegung: das Thoriumpräparat gibt Radon ab , das seinerseits aus dem Zerfallsprodukt Radium entsteht. Wenn ich alles Radium ausfälle, z. B. mit Bariumsulfat, müsste ein Thoroumpräparat resultieren, das so gut wie kein Radon mehr abgibt. Die Radonbildung würde erst nach > 25 Jahren wieder auf das Ursprungsniveau ansteigen.

Korrekt?
Meine Antwort war falsch, wie ich gerade feststelle. Denn so ist es nicht! Wenn dein Thorium-Präparat schon mindestens 40 Jahre alt ist, enthält es Thorium-228 im Gleichgewicht, das du durch Reinigung nicht entfernen kannst. Reinigt man altes Thorium, ist das Produkt doppelt so radioaktiv wie reines Th-232 wäre.

Und innerhalb von 2-3 Wochen nach der Reinigung nimmt die Radioaktivät nochmal extrem zu. Hier die Kurve für frisch von Radium befreites, kristallines Thoriumsalz, aus dem das Radon nicht merklich entweichen kann (Zeitausschnitt: ca. 1 Monat):

Bild

So würde die Radonentwicklung in Wirklichkeit verlaufen, wenn du alles Radium aus mindestens 40 Jahre altem (!) Thorium abtrennst (rote Kurve):

Bild

Das heißt, die Radonentwickung steigt innerhalb von 3 Wochen von 0 auf das Niveau von altem Thorium (nach 3 1/2 Tagen ist bereits die Hälfte erreicht). 1/2 Jahr später sinkt die Radonentwicklung wieder, da das Thorium-228 allmählich zerfällt. Insgesamt 4,3 Jahre nach der Reinigung eines Thoriumpräparats erreicht die Radonentwickung ein neues Minimum, um dann wie üblich innerhalb der nächsten 30-40 Jahre auf das Niveau von altem Thorium wieder zu steigen.

Wenn du "radonfreies" Thorium haben willst, müsstest du die Reinigung gelegentlich über längere Zeiträume wiederholen (1x pro Jahr wäre gut, schätze ich). Nach 30 Jahren oder so hättest du radonfreies Thorium und dann würde es wieder stimmen, was ich gesagt habe.

Nach dieser Korrektur ist auch meine andere Kurve falsch. Hier der echte Verlauf der Thoriumaktivität nach der Reinigung (Peak nach 3 Wochen, Tal nach 4-5 Jahren, Gleichgewicht nach 30-40 Jahren).

Bild

Bei Uran ist das alles schwieriger, weil ich nicht weiß, ob man beim Abreicherungsprozess nur U-235 abtrennt oder auch U-234. Falls beides weitgehend abgetrennt wird, kommt annähernd die blaue Kurve raus (Aktivität steigt in den ersten Monanten auf über das Doppelte). Falls U-234 nicht abgetrennt wird, kommt die schwarze Kurve raus (Aktivität nimmt um weniger als 50 % zu in den ersten Monaten).

Bild

Benutzeravatar
Seaborg
Illumina-Mitglied
Beiträge: 80
Registriert: Sonntag 9. Mai 2021, 10:17
Wohnort: Bereich Jülich
Kontaktdaten:

Re: Das Experiment Becquerels

Beitrag von Seaborg »

lemmi hat geschrieben:
Samstag 16. März 2013, 16:49
Das Experiment Becquerels

Literatur:

Thomas Bührke: Sternstunden der Physik; Sonderausgabe 2008 - Beck´sche Reihe 4030; ISBN 978-3-406-57773-4
Dorn, Bader: Physik in einem Band; Schroedel Schulbuch-Verlag 2000; ISBN 3-507-86210-7
Römpp, Raaf: Chemische Experimente mit einfachen Mitteln; 8. Auflage dtv Junior 1981 , ISBN 3-423-07008-0
Die Originalveröffentlichungen Becquerels, aus denen ich das Eingangszitat entnommen habe, sind hier über Wikipedia verlinkt!
und:
Heinz Schröder: Atomphysik in Versuchen, Ein methodischer Leitfaden für den Unterricht; 1966; Vieweg-Verlag ISBN: 979-3-663-00408-0

p.s. Heutzutage könnten gar nicht soviele Trauma-Seelsorger und ABC-Teams von BW und THW bereitgestellt werden, um auch nur einen dieser Schul-Versuche in Angriff zu nehmen. mundus hystericus !!

aliquis
Illumina-Mitglied
Beiträge: 101
Registriert: Dienstag 28. September 2021, 00:58

Re: Das Experiment Becquerels

Beitrag von aliquis »

Das Werk von Römpp steht auch bei mir noch im Bücherregal... 8)

Antworten