7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (1) Analytische Anwendungen (Radiometrische Titration)

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1 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (1) (Radiometrische Titration) Der radioaktive Stoff dient als Indikator Fällungsreaktionen Komplexbildungsreaktionen Prinzip einer Fällungstitration: 88 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (2) (Radiometrische Titration) Typ I Titration eines nichtradioaktiven Stoffes mit einer radioaktiven Typ II Titration eines radioaktiven Stoffes mit einer nichtradioaktiven Typ III Titration eines radioaktiven Stoffes mit einer radioaktiven AC + *BC A*B + CD *AC + BC *AB + CD *AC + *BC *A*B + CD NaCl + AgNO 3 AgCl + NaNO 3 AgNO 3 + HCl AgCl + HNO 3 Na 131 I + AgNO 3 Ag 131 I + NaNO 3 89

2 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (3) (Isotopenverdünnungsanalyse) - Änderungen in der spezifischen Aktivität einer Indikatorsubstanz (*P) werden nach ihrer Zugabe zu einer unbekannten Menge der chemisch identischen Substanz gemessen - Eine quantitative Abtrennung der unbekannten Substanz ist zu ihrer quantitativen Bestimmung nicht notwendig P in der Matrix P +*P in der Matrix Abtrennung eines Teils von P + *P Bestimmung der Spezifischen Aktivität von P+ *P Zugabe von *P (Indikator einer bekannten spezifische Aktivität Anwendungen: - Dopinganalyse - Biochemische and pharmazeutische Forschung - Blutvolumenbestimmung in der Medizin Berechnung der Masse von P 90 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (4) Prinzip: - Hochempfindliche Elementaranalyse - Bildung (weniger) radioaktiver Atome eines Elements in einer nichtradioaktiven Probe durch Beschuss mit thermischen Neutronen - Messung der dadurch induzierten Radioaktivität - Die Intensität der Radioaktivität ist ein Maß für die Konzentration des (aktivierten) Elements - In Abhängigkeit vom verwendeten Neutronenlieferanten (Kernreaktor oder Neutronenquelle) können nahezu alle chemischen Elemente untersucht werden Neutroneneinfang 91

3 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (5) Vorteile: - Zerstörungsfrei bei Proben bis zu einer Größe von einigen cm 3 - Probe und Standard können das Element in unterschiedlicher chemischer Form enthalten - hohe Empfindlichkeit Nachteile: - kostenintensiv (Neutronquelle oder ein Kernreaktor ist nötig) - Strahlenschutz und (teilweise) Abfallbehandlung - unerwünschte Aktivierung von Nachbarelementen durch Aktivierung mit thermischen Neutronen Anwendung in : - Geologie, Bergbau, Kosmologie (sehr viele Proben, Multielementanalyse, hohe Genauigkeit) - Umweltschutz (große Probenmengen, hohe Empfindlichkeit) - Materialforschung (verschiedene Proben, mittlere Genauigkeit) 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (6) Anwendung der NAA zur Spurenanalyse von Metallen in Meerwasser Nachweisgrenzen der NAA für 71 Elemente: Nachweisgrenze Elemente in µg Si, S, Fe 1 4 x 10-1 F, Ne, Ca, Cr, Zr, Tb 4 9 x 10-2 K, Ni, Rb 1 3 x 10-2 Mg, Cl, Ti, Zn, Se, Sn,Ce, Tm, Ta, Th 4 9 x 10 3 Ar, Mo, Pr, Gd 1 3 x 10-3 Co, Ge, Nb, Ru, Cd, Sb, Te, Xe, Nd, Yb, Pt, Hg 4 9 x 10-4 Na, Al, Cu, Ga, As, Sr, Pd, I, La, Er 1 3 x 10-4 Sc, Br, Y, Ba, W, Re, Os, U 4 9 x 10-5 V, Ag, Cs, Sm, Hf, Ir, Au 1 3- x 10-5 Kr, Rh, In, Eu, Ho, Lu 4 9 x 10-6 Mn 1 3 x 10-6 Dy 93

4 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (7) Radioanalytische Techniken im Vergleich mit konventionellen Methoden 94 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (8) (Datierung mit radiometrischen Methoden) Radiocarbonmethode 14 C: Bildung 7 N + 0n 6 C+ 1p - Datierung archäologischer Proben im Altersbereich zwischen Jahren Zerfall C 7 N + 1e T 1/2 =5730 a - 14 C, das durch kosmische Strahlung gebildet wird, wird schnell zu CO 2 oxidiert -CO 2 wird von Pflanzen assimiliert und in alle Stoffwechselprodukte eingebaut - Verteilung über die Nahrungskette in Tiere und Menschen quasistationäres GGW zwischen 14 C- Bildung und Zerfall in der Biosphäre Andere kosmogene Radionuklide, die in ähnlicher Weise verwendet werden: Nuklid Halbwertszeit Bereich der Datierung 3 H 12.3 a a -Die 14 C-Aufnahme endet mit dem Tod des Organismus, ab dann findet nur noch 14 C-Zerfall statt - Je älter eine archäologische Probe ist, umso kleiner ist ihr 14 C-Gehalt - Für eine exakte Datierung sind zahlreiche Korrekturen nötig 10 B 1.6 x 10 6 a a 26 Al 7 x 10 5 a a 39 Ar 269 a a 95

5 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (9) Anwendung des 40 K-Zerfalls (Datierung mit radiometrischen Methoden) Terrestrische Paare von Mutter/Tochter-Nukliden K 40 Ar Das gebildete Argon wird freigesetzt, wenn das Mineral aufgelöst wird. Bestimmung des Ar-Gehaltes Bestimmung des K/Ar-Verhältnisses Beispiele Älteste irdische Mineralien: 3,7 x 10 9 a Mondmineralien (Meteorite): 4,6 x 10 9 a Andere Mutter/Tochter-Paare, die in ähnlicher Weise verwendet werden können: Paar Halbwertszeit der Mutter Datierungsbereich 87 Rb/ 87 Sr 1.28 x 10 9 a a 147 Sm/ 143 Nd 4.8 x a 8 x a 176 Lu/ 176 Hf 3.8 x a a 187 Re/ 187 Os 5 x a a Alter des Sonnensystems: ca. 4,6 x 10 9 Jahre 96 7) Anwendungen radioaktiver Strahlung in Wissenschaft und Technik (10) (Datierung mit radiometrischen Methoden) Zerfallsreihen Anwendung der 238 U Pb Zerfallsreihe Das Nuklid mit der längsten Halbwertszeit in diese Reihe: 238 U (4,468 x 10 9 a) 238 U-Zerfall bestimmt die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls in dieser Reihe Geologische Datierung ist über die Bestimmung des 238 U/ 206 Pb-Verhältnsses möglich Bedingungen: - Geschlossenes System für den radioaktiven Zerfall (kein Glied der Zerfallskette darf entweichen, Rn ist ein Gas!!) - ist für das Kristallgitter von Mineralien erfüllt 97

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