Nachwuchsförderung im Strahlenschutz - Fachverband für ...

Nachwuchsförderung im Strahlenschutz
Thema: Verhältnisbestimmung von Uran 235 zu Uran 238
in Uranglas mit Hilfe eines γ-Spektrometers
Verfasser: Lars Henschke (Spessart Gymnasium Alzenau)

I. Geschichte von Uran 03
II. Grundlagen 03
1. Urangläser und ihre Bedeutung 03
2. Uranglasherstellung 03
III. Experimenteller Teil 05
1. Beschreibung des Ge(Li)-Halbleiterdetektors 05
2. Durchführung 07
2.1. Beschaffung des Präparats 07
2.2. Ausführung des Experiments 07
3. Ergebnisse 08
3.1 Programm MAESTRO 08
3.2 γ-Spektrum des Uranschnapsglases 09
IV. Diskussion der Ergebnisse 10
1. Qualität der γ-Spektren 10
1.1 Zählausbeute 10
1.2 Untergrundrauschen 11
2.Qualitative Analyse des Spektrums 13
2.1 Theoretische Grundlagen 13
2.1.1 Natürliche Zerfallsreihen 14
2.1.1.1 Uran-Radium-Reihe 14
2.1.1.2 Actinium-Reihe 15
2.1.2 Charakteristische Energiewerte für Nuklide 15
2.1.3 Übergangswahrscheinlichkeit 16
2.2 Gefundene Radionuklide 16
2.2.1 Uran 235 16
2.2.2 Thorium 231 17
2.2.3 Uran 238 18
2.2.4 Thorium 234 19
2.2.5 Protactinium 234 20
2.2.6 Protactinium 234m 21
2.2.7 Kalium 40 22
2.3 Zusammenfassung 22
3. Quantitative Analyse des Spektrums 23
3.1 Relative Aktivität der Radionuklide 23
3.1.1 Aktivität von U238 24
3.1.2 Radioaktives Gleichgewicht 24
3.1.3 Aktivität von Th 234 25
3.1.4 Aktivität von Pa 234m 26
3.1.5 Aktivität von Pa 234 26
3.1.6 Aktivität von U235 26
3.1.7 Aktivität von Th 231 27
3.2 Zusammenhang 27
3.3 Natürliches Uran 28
3.4 Verhältnis Uran-235 / Uran 238 in der Probe 28
4. Bundesgesetzblatt zu den Freigrenzen 30
5. Folgen für Besitzer/Nutzer 30
V. Bewertung 32
VI. Anhang 32
VII. Literaturverzeichnis 42
2

I. Geschichte von Uran
URAN – Eines der bekanntesten Elemente im Periodensystem. Die Geschichte dieses
Elements geht bis ins Jahr 1789 zurück, als es von Martin Heinrich Klaproth entdeckt
wurde. Der Name stammt vom acht Jahre zuvor entdeckten Planeten Uranus.
Verwendung fand es im 19. Jahrhundert vor allem in der Kunst, wie beispielsweise
im Glashandwerk oder in der Porzellanherstellung. 1896 wurde von Henri Becquerel
die Radioaktivität des Urans festgestellt. 1 Seither werden über die gesundheitlichen
Risiken spekuliert. In folgender Arbeit wird Uranglas qualitativ als auch quantitativ
unter Verwendung eines γ-Spektrometers ausgewertet.
II. Grundlagen
II. 1. Urangläser und ihre Bedeutung
Die Geschichte von Uranglas beginnt zeitgleich mit der Entdeckung von Uran 1789.
Martin Heinrich Klaproth wusste schon recht früh, dass Uranverbindungen Glasschmelzen
gelb bzw. grün färben. Aus den dreißiger und vierziger Jahren des 19.
Jahrhunderts sind so gut wie keine Überlieferungen vorhanden, da zu dieser Zeit die
Zusammensetzung von Uranglas unter strengster Geheimhaltung lag und sogar mit
Sippenhaftung bestraft wurde. Ab Mitte des 19. Jahrhunderts verzeichnete die Uranglasherstellung
einen Aufschwung. Vor allem die böhmische Familie Riedel wird in
diesem Zusammenhang erwähnt. Die Farben „Annagelb“ und „Annagrün“ sind die
Schöpfung von Josef Riedel, der die Farben nach seiner Frau Anna benannte.
Der Besitz von Uranglas oder anderen Gegenständen mit Uranzusatz waren zu dieser
Zeit sehr begehrt. Die Fluoreszenz der Gegenstände hatte etwas geheimnisvolles und
schönes. Uranglas entwickelte sich zu einem Statussymbol. 2
II. 2. Uranglasherstellung
Glas ist ein Schmelzprodukt, welches nach abkühlen erstarrt ist. Der wichtigste Bestandteil
in Glas ist SiO2. Gläser besitzen keinen festen Schmelzpunkt, sondern eher
einen Schmelzbereich, in welchem sie verformbar sind. Glas aus 100% SiO2 wird
nur für Spezialzwecke hergestellt. Durch Zusätze in der Schmelze, wie K2O, Na2O,
1 http://de.wikipedia.org/wiki/Uran
2 Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren S.73ff
3

PbO oder CaO, wird der Schmelzbereich gesenkt und chemische, optische und mechanische
Eigenschaften werden verändert. Durch Zugabe von Na2U2O7 erhält das
Glas fluoreszierende Eigenschaften. Man unterscheidet zwischen Annagelb und Elenorengrün.
Zwei Farben, die durch unterschiedliche Mischverhältnisse der Komponenten
und metallischen Verbindungen zustande kommen. 3
Annagelb Annagrün Abb. II.1
3 Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren S.67ff
4

III. Experimenteller Teil
III. 1. Ge(Li) Halbleiterdetektor
Abb. III.1
Die im Halbleiter vorhandene dünne Siliciumschicht wurde auf der einen Seite mit
Phosphor (p-Schicht) und auf der anderen Seite mit Bor oder Aluminium (n-Schicht)
eindiffundiert. Dazwischen befindet sich der so genannte p,n-Übergang, an dessen
Grenzen sich entgegengesetzte Raumladungen einstellen. So entsteht die für y-
Quanten empfindliche Sperrschicht. Die Größe dieser Schicht kann mit steigender
Spannung vergrößert werden, was für die Messung von energiereicher Strahlung
notwendig ist. Eine weitere Möglichkeit um energiereiche Strahlung zu messen, ist
die Eindiffusion von Lithium in die p-Germanium-Schicht, was auch bei dem Modell
in Darmstadt der Fall ist. Allerdings muss bei dieser Methode der Detektor mit flüssigem
Stickstoff gekühlt werden,
um die Diffusion von Lithium zu
verhindern. Trifft nun ein y-Quant
auf den Detektor, erzeugt es
entlang seines Weges durch die
Sperrzone Elektronen-Loch-Paare,
welche durch die angelegte
Spannung zu den Feldgrenzen
Aus Keller, Cornelius: Radiochemie S. 73
Abb. III.2
5

gezogen werden und dort einen Spannungsimpuls auslösen. 4 Durch den dahinter geschalteten
Feldeffekttransistor wird das Signal verstärkt. Anschließend werden über
den Analog-Digital-Konverter die Impulse der 8192 Kanäle auf die Energiewerte
geeicht. Ein dahinter geschalteter Computer zählt die Impulse der einzelnen Energien.
Ausgewertet wird die Amplitude des Spannungsimpulses, welcher zur Energie
des y-Quants proportional ist.
Um den Detektor gegen äußere Einflüsse wie Terrestrische Strahlung und Höhenstrahlung
zu schützen wird der Spektrometer durch mehrere Schichten verschiedenen
Materials geschützt. Die äußerste Schicht der Apparatur ist eine 5 cm starke Bleiburg
(siehe Abb. III.2). Diese schützt die Messvorrichtung zwar vor Strahlung der natürlichen
Zerfallsreihe aber nicht vor der Röntgenstrahlung, die von hochenergetischen y-
Quanten der Höhenstrahlung im Pb erzeugt wird und immerhin noch bis 85 keV
betragen kann. Aus diesem Grund ist die nächste Abschirmung eine Eisenschicht, die
die Röntgenstrahlung von Blei absorbiert, und selbst nur noch 7 keV emittiert. Bei
der Wahl des Eisens ist jedoch darauf
zu achten, dass es vor 1960 produziert
sein sollte, da seit 1960 Cäsium 137
für die Füllstandskontrolle bei der
Herstellung von Stahl benutzt wird und
somit auch in den Stahl gelangen
kann.
Um das Messgerät vor Neutronen zu
schützen, die durch Spontanspaltung
von Uran oder Thorium entstehen,
verwendet man Cadmium, da es einen
hohen Einfangsquerschnitt besitzt.
Schließlich muss noch eine Schicht
eingebaut werden, die für β-Strahlung
undurchlässig ist. Diese Aufgabe übernimmt
eine Plexiglasschicht. 5
Abb.III.3
4 Radiochemie, S.73
5 1c_KernchemieLow%20Level1.pdf
6

III. 2. Durchführung
III. 1.1. Beschaffung des Präparats
Das γ-spektrometrisch zu untersuchende Uranschnapsglas
wurde bei ebay Deutschland am
14.07.2007 von dem Verkäufer glas.de für 13,28 €
ersteigert. Bei einer Suche auf der ebay-Website
nach „Uranglas“ findet man die verschiedensten
Artikel aus Uranglas. Vom schlichten Uranwassserglas,
über Uranglasteller und Uranringhalter bis
hin zur Uranglasvase ist alles vertreten. Das erstandene
Uranschnapsglas hat eine Höhe von 8 cm,
wiegt 72,7 g und hat am Fuß einen Durchmesser
von 3 cm.
III. 1.2. Ausführung des Experiments
Nachdem die Funktionsweise des γ-Spektrometers nun bekannt ist, kann man sich
der Ausführung des Experiments widmen. Wie bereits bei dem Aufbau der Messapparatur
beschrieben, wiegt der auf Rollen gelagerte Deckel 1,8 Tonnen. Um diesen
aufzuziehen, ist einige Muskelkraft notwendig. Danach entfernt man eine Deckelschicht
nach der anderen, bis man zum Kopf des Detektors vorgestoßen ist. Nun
platziert man die Probe direkt auf dem Detektor, sodass so viele γ-Strahlen wie möglich
auf den Detektor auftreffen und somit der Wirkungsgrad der Messapparatur so
hoch wie möglich ist. Jetzt werden alle Deckel wieder platziert und zu guter letzt mit
dem Bleideckel abgedeckt, um daraufhin über den am Spektrometer angeschlossenen
Computer die Messung zu starten. Abwarten und den Mitarbeitern der Technischen
Universität Darmstadt zu danken, dass sie alle drei Tage den Spektrometer mit neuem
flüssigen Stickstoff befüllen, um den Detektor auf Temperatur zu halten, ist das
einzige, was man während der Messzeit machen kann. Das Uranglas wurde insgesamt
2767020,7 Sekunden (32 Tage!) gemessen. Das Messergebnis wird in einer
Datei ausgegeben, die man mit dem Programm MAESTRO öffnen kann.
Des Weiteren führt man eine Untergrundmessung durch, d.h. es wird eine Messung
vorgenommen, ohne ein Präparat in die Apparatur zu legen. Hiermit wird in Erfahrung
gebracht, welche Gammalinien nicht von den Präparaten stammen und somit
7
Abb. III. 4

das Messspektrum verfälschen werden. Außerdem lässt sich bei dieser Untergrundmessung
das Untergrundrauschen erkennen, welches ebenfalls in der späteren Auswertung
verrechnet werden muss.
Blick in die geöffnete Bleiburg und auf den Detektor Abb III.5
III. 3. Ergebnisse
III. 3.1. Programm MAESTRO
Für die Betrachtung der Gammaspektren auf dem Computer außerhalb des Labors
bedarf es eines Programms. Mit dem Programm MAESTRO ist es möglich die gemessenen
Werte in einem Diagramm darzustellen (s. Anhang III). Allerdings ist hier
zu beachten, dass auf Grund langer Messzeit oder eines Stromausfalls die Eichung
des Spektrums noch nicht korrekt ist. Um diesen Fehler zu beheben, müssen die
Messkanäle zweier Photopeaks, von denen man das dazugehörige Nuklid kennt, mit
dem entsprechenden Energiewert eichen. Je weiter die beiden Peaks auseinander
liegen, desto genauer ist das Ergebnis.
8

III. 3.2. γ-Spektrum des Uranschnapsglases
Um das komplette Spektrum des Uranglases auf einer Seite angemessen darstellen zu
können, ist auf Ordinatenachse des Diagramms der Logarithmus der Impulse angetragen.
Andernfalls wäre nicht viel auf dem Spektrum zu sehen.
Die vergrößerte Normaldarstellung, mit der Impulszahl an der Ordinatenachse, findet
man im Anhang II.
9
Abb. III.6

IV. Diskussion der Ergebnisse
Das sich anschließende Kapitel befasst sich mit jeglicher Auswertung des Gammaspektrums
vom verwendetem Testpräparat, dem Uranschnapsglas.
IV. 1.Qualität von γ-Spektren
Zunächst setzt man sich mit der allgemeinen Brauchbarkeit von γ-Spektren ausein-
ander. Hier ist einerseits zu klären, wie viel von der tatsächlichen Strahlung gemessen
werden kann und andererseits, welche Art von Störfaktoren, unabhängig von der
zu untersuchenden Substanz, auftreten.
IV. 1.1. Zählausbeute
Bei der quantitativen Auswertung des Spektrums ist zu beachten, dass keinesfalls
alle Zerfälle gemessen werden können. Geht man davon aus, dass eine Probe ihre
Gammaquanten in alle Richtungen sendet, macht allein schon die Geometrie des
Ge(Li)-Halbleiterdetekors eine 100 %-ige Zählausbeute nicht möglich. Auf Grund
der Tatsache, dass das Präparat auf der flachen Detektorplatte liegt, verringert sich
die Zählausbeute auf unter 50 %. Dieser Sachverhalt ist in folgender Skizze dargestellt.
Es handelt sich bei dieser Darstellung um einen theorethischen Aufbau, da in der
Realität der Abstand, bedingt durch einen Schutz des Detektors, zwischen Probe und
Detektor größer ist. Folglich wird dadurch auch die Zählausbeute geringer.
10
Abb. VI.1

Ein weiterer Faktor ist die Selbstabsorbtion des Präparates, welche bei zunehmender
Masse ebenfalls größer wird. Bei diesem Effekt wird das ausgesendete Gammaquant
vom Probenmaterial selbst absorbiert und verlässt folglich überhaupt nicht das Präparat.
6 Basierend auf diesen beiden Erkenntnissen wird für Präparate in der Größenordnung
des Uranglases folgendes Diagramm für die Zählausbeute benutzt.
Abb. IV.2 Verändertes Diagramm der TU Darmstadt
IV. 1.2. Untergrundrauschen
Betrachtet man ein Spektrum, bei welchem kein Präparat gemessen wurde, stellt man
fest dass auch in diesem Spektrum ein Untergrundrauschen vorhanden ist. Wie im
folgenden Leerspektrum zu sehen, ist sogar ein Photopeak bei 511 keV eindeutig zu
erkennen.
6 Einführung in die Kernchemie, S. 187
11

Abb. IV.3
Das Untergrundrauschen wird vor allem vom Comptoneffekt verursacht. Anders als
beim Photoeffekt, gibt es für ein Gammaquant auch die Möglichkeit nur einen Teil
der Energie an ein Elektron abzugeben. Dieses energiereiche Comptonelektron verlässt
anschließend das Atom. Folglich
bewegt sich das Gammaquant mit geringerer
Energie in eine andere Richtung
und kann an das nächste Elektron einen
weiteren Teil seiner Energie übertragen.
Abbildung IV.4 verdeutlicht den Ablauf.
Das geht so lange bis es letztendlich die
restliche Energie komplett mittels des
Abb. IV.4
Photoeffekts an ein Elektron abgegeben
hat. 7 Das Resultat ist ein kontinuierliches Energiespektrum, was zu einen Teil das
Untergrundrauschen ausmacht.
7 Radioaktivität und Strahlenschutz, S19
12

Die Zweite Komponente dieses
Rauschsignals ist die sogenannte
Bremsstrahlung. In diesem Fall wird ein
Elektron, welches beim Compton- oder
Photoeffekt erzeugt wurde, an einem
Atomkern abgebremst. Dabei entsteht
ein Gammaquant niedriger Energie, wie
in Abb. IV.5 zu erkennen ist. 8
Der gut erkennbare Peak bei 511 keV ist auf Vernichtungsstrahlung zurück zu führen.
Diese Strahlung entsteht aus Quanten mit der Energie über 1022 keV. Ab diesem
Wert ist das Quant in der Lage im elektrischen Feld eines Atomkerns ein Elektron
und ein Positron zu erzeugen, welche sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen.
Trifft das Positron auf ein Elektron, kommt es zu Annihilation unter Aussendung von
zwei entgegengesetzten Gammaquanten mit der Energie von 511 keV. Die Abbildungen
IV.6 und IV.6 veranschaulichen die Abläufe bei diesem Vorgang. 9
Abb. IV.6 Abb. IV.7
IV. 2. Quantitative Analyse des Spektrums
IV. 2.1 Theoretische Grundlagen
Damit das Gesamtbild er Analyse leichter zu verstehen ist, müssen bevor man zur
Auswertung schreitet, noch grundlegende Sachverhalte erklärt werden.
8 Radioaktivität und Strahlenschutz, S. 20
9 Radioaktivität und Strahlenschutz, S. 20
Abb. IV.5
13

IV. 2.1.2. Natürliche Zerfallsreihen
Da sich auf Grund von α- und β-Zerfall die Glieder einer Zerfallsreihe in ihrer Mas-
senzahl um 4 Einheiten unterscheiden oder die gleiche Nukleonenzahl besitzen, gibt
es in der Natur nur vier Zerfallsreihen. Die Uran-Radium-Reihe, die Actinium-Reihe,
die Thorium-Reihe und die Neptunium-Reihe. Nuklide aus letzterer sind in der Natur
nicht mehr vorhanden, da diese im Laufe der Zeit schon zerfallen sind. 10
Wichtig für die Bestimmung des Verhältnisses von Uran 235 zu Uran 238 im Uranglas
sind Uran-Radium- und Actinium-Familie, bedingt dadurch, dass die beiden
Isotope die Mutternuklide der jeweiligen Reihen sind.
IV. 2.1.2.1. Actinium-Zerfallsreihe
Die Uran-Actinium-Zerfallsreihe beginnt bei Radioisotop U-235. Über die Nuklide
Th-231, Pa-231, Ac-227, Th-227, Ra.223, Rn,219, Po-215, Pb-211, Bi-211 und Tl-
207 endet diese Reihe nach 7 α- und 4 β-Zerfällen beim stabilen Pb-207. 11
Ausschnitt aus Nuklidkarte:
10
Einführung in die Kernchemie, S.109
11
Nuclids 2000
Abb. IV.8
14

IV. 2.1.2.2. Uran-Radium-Zerfallsreihe
Die Uran-Radium-Zerfallsreihe beginnt bei dem langlebigen Radioisotop U-238.
Über die Nuklide Th-234, Pa-234, U-234, Th-230, Ra-226, Rn-222, Po-218, Pb-214,
Bi-214, Po-214, Pb-210, Bi-210 und Po-210 endet die Reihe nach 8 α- und 6 β-
Zerfällen beim stabilen Pb-206. 12
Ausschnitt aus Nuklidkarte:
IV. 2.1.3. Charakteristische Energiewerte für Nuklide
Um anschließend die erwarteten Nuklide aus den beiden Zerfallsreihen im Spektrum
zu identifizieren und nachzuweisen, müssen die für die einzelnen Isotope charakteris-
tischen Energiewerte gefunden werden. Es gibt zwei Arten von γ-Strahlung: Die mo-
noenergetische Strahlung, welche nur einen Energiewert pro Nuklid aufweist, und
die Strahlung, welche mehrere Energiewerte besitzt. Werden bei der Auswertung die
entsprechenden Photopeaks an den richtigen Stellen gefunden, ist das Nuklid sehr
wahrscheinlich im Präparat enthalten.
12 Nuclids 2000
Abb. IV.9
15

IV. 2.1.4. Übergangswahrscheinlichkeit
Um alle theoretischen Grundlagen für die qualitative Auswertung eines Gammaspektrums
genannt zu haben, wird in diesem Unterpunkt noch die Übergangswahrscheinlichkeit
erklärt. Dieser Wert ist für den Fall, dass zwei oder mehrere Nuklide
einem Peak zugeordnet werden könnten, sehr wichtig. Bedingt durch die Tatsache,
dass nicht bei allen Zerfällen Gammaquanten ausgesendet werden, ergibt es eine
unterschiedliche Gewichtung bei der Zuordnung der Nuklide mit den Photopeaks.
Infolgedessen gibt es für jeden Energiewert eines Nuklids eine sogenannte Übergangswahrscheinlichkeit,
welche die durchschnittliche Wahrscheinlichkeit für das
Auftreten dieses Gammaquanten bei einem speziellem Nuklid angibt. 13
IV. 2.2. Gefundene Radionuklide
Unter Beachtung der Sachverhalte aus vorgehendem Kapitel schließt sich im Fol-
genden die Qualitative Auswertung, mit Hilfe der gefundenen γ-Linien des Spekt-
rums an.
IV. 2.2.1. Uran 235
Sucht man nach charakteristischen Energiewerten des Uran 235, betrachtet man den
Bereich von 130 keV bis 220 keV des Spektrums. In dieser Spanne befinden sich
sechs der wahrscheinlichsten Photopeaks, welche sich auf Uran 235 zurückführen
lassen.
Energie Übergangswahrscheinlichkeit
185720 eV 5,7240E-01
143760 eV 1,0962E-01
163330 eV 5,0814E-02
205310 eV 5,0112E-02
(109160 eV 1,5390E-02)
202110 eV 1,0800E-02
194940 eV 6,3180E-03 Tb IV.1
13 Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of Environmental Radioactivity, S.28
16

Weitere Peaks von diesem Nuklid sind für die Auswertung uninteressant, da deren
Übergangswahrscheinlichkeiten um ein vielfaches kleiner sind.
Abb.IV.10
Alle markierten Peaks in diesem Spektrumausschnitt, außer der Ausschlag bei
186 keV, sind signifikant für Uran 235 und lassen somit auf die Anwesenheit von
diesem Nuklid in der Probe schließen.
Bei 186 keV handelt es sich um einen überlagerten Peak, da dieser Energiewert auch
bei Ra 226 auftritt. Diese Tatsache muss bei der quantitativen Analyse berücksichtigt
werden, da Ra 226 in der Zerfallsreihe von U 238 gebildet wird und somit in der
Probe vorhanden sein kann. Der Wert bei 109 keV kann nicht ordnungsgemäß gemessen
werden, da hier die Untergrundstrahlung zu groß ist.
IV. 2.2.2 Thorium 231
Um die Anwesenheit von Uran 235 zu bestätigen, sucht man nach Gammalinien des
Thorium 231, da dieses Nuklid das Zerfallsprodukt von U 235 ist und somit in kleinen
Mengen messbar sein muss.
17

Die wahrscheinlichsten Linien sind:
Energie Übergangswahrscheinlichkeit
25640 eV 1,4600E-01
84214 eV 6,7100E-02
89900 eV 9,4000E-03
81228 eV 8,5000E-03
Tb IV.2
Der erste Wert ist nicht messbar, da dieser außerhalb des Messbereichs fällt. Alle
anderen Linien sind gut zu erkennen und bestätigen Uran 235 als Komponente des
Uranglases.
Abb. IV.11
IV. 2.2.3 Uran 238
Die Tatsache, dass die zwei vorhandenen Gammaenergiewerte von Uran 238 lediglich
eine Übergangswahrscheinlichkeit besitzen, die kleiner ist als 0.07 %, führt dazu,
dass man keine Peaks für dieses Isotop in einem Gammaspektrum finden wird.
Um Uran 238 in der Probe nachzuweisen, muss dies folglich über die Identifikation
der Tochternuklide durchgeführt werden.
18

IV. 2.2.4 Thorium 234
Das erste Folgenuklid von Uran 238 ist Thorium 234. Es ist ein Betastrahler mit einer
Halbwertszeit von 24,1 Tagen 14 . Die größten Peaks wird man bei einer Energie
zwischen 50 keV und 120 keV erwarten:
Bei Betrachtung der Graphik IV.12 fällt auf, dass sich die Werte 92,4 keV und 92,8
keV zu einem Photopeak addieren, welcher auch einen entsprechend größeren Ausschlag
zu verzeichnen hat. In diesem Fall ist die Überlagerung von zwei Photopeaks
nicht weiter schlimm, da beide Linien von Thorium 234 erzeugt werden. Wie in X.X.
beschrieben kommt es bei 83,3 keV zur Überlagerung. Auf diesen Wert muss folglich
verzichtet werden. Auf Grund der Bestätigung der restlichen Werte enthält das
Uranglas Thorium 234.
14 Nuclides 2000
Energie Übergangswahrscheinlichkeit
63290 eV 4,0034E-02
92380 eV 2,7212E-02
92800 eV 2,6888E-02
112810 eV 2,5427E-03
83300 eV 7,0330E-04 Tb IV.3
Abb. IV.12
19

IV. 2.2.5 Protactinium 234
Das nächste Nuklid in der Uran-Radium-Zerfallsreihe ist das Protactinium 234.
Energie Übergangswahrscheinlichkeit
131300 eV 1,4000E-01
946002 eV 9,8000E-02
883237 eV 9,8000E-02
569300 eV 7,8400E-02
880514 eV 7,7000E-02 Tb IV.4
Bei Betrachtung der wahrscheinlichsten Energiewerte (Tb IV.4) stellt man im Spektrum
(Abb.IV.13) fest, dass diese Photopeaks kleiner ausfallen als erwartet.
Abb. IV.13
Für die Begründung dieser Feststellung muss etwas weiter ausgeholt werden. Bei α-
sowie β-Zerfällen entsteht häufig nicht direkt das Tochternuklid im Grundzustand,
sondern im sogenannten angeregten Zustand. Dieses Phänomen nennt sich Kernisomerie,
da sich der Unterschied zwischen den beiden Zuständen im Kern befindet.
Beim Übergang in den Grundzustand wird γ-Strahlung emittiert. Die Lebensdauer
eines solchen Kerns erstreckt sich von 650 a bis 10 -11 s. Kürzere Zeiten können nicht
gemessen werden und werden deshalb nicht erwähnt. Kerne mit messbarer Lebensdauer
werden „metastabil“ genannt. Ein Teil der metastabilen Kerne fällt in den
20

Grundzustand ab. Der Rest zerfällt in das Tochternuklid. 15 Im Fall von Pa 234m zerfällt
99,87 % in U 234. 16 Nur bei 0,13 % erfolgt der Übergang in den Grundzustand
(Pa 234) und erklären folglich die kleineren Peaks bei Pa 234.
IV. 2.2.6 Protactinium 234m
Wie schon in IV.2.2.5 erklärt, handelt es sich bei Pa 234m um ein metastabiles Nuklid.
Im Bereich zwischen 730 keV und 1010 keV befinden sich vier, der häufigsten
Emissionsenergien von Pa 234m.
In Abbildung IV.14 sind alle fünf Photopeaks gut erkennbar und konkurrieren mit
keinem Nuklid. Dementsprechend ist Pa 234m ein weiterer Beweis für die Anwesenheit
U-238 im Schnapsglas.
15 Radiochemie, S. 49
16 Einführung in die Kernchemie, S. 238
Energie Übergangswahrscheinlichkeit
1001020 eV 5,8923E-03
766358 eV 2,0673E-03
258000 eV 5,6926E-04
742814 eV 5,6526E-04
786272 eV 3,4156E-04 Tb IV.5
Abb. IV.14
21

IV. 2.3.3 Kalium 40
Selbstverständlich befinden sich im Spektrum auch Photopeaks, deren Herkunft nicht
die radioaktive Zerfallsreihe ist. Ein Beispiel ist der Ausschlag bei 1460,8 keV, welcher
in Abb. IV.15 zu sehen ist. Das verursachende Radionuklid ist Kalium 40. Natürliches
Kalium enthält zu 0,012% K-40. 17
Kalium ist bei der Glasherstellung in Form von Kaliumoxid zu finden. Es dient unter
anderem als Flussmittel. 18
Abb. IV.15
IV. 2.3. Zusammenfassung
Die qualitative Analyse zeigt eindeutig Spuren von U-235 und U-238 im Präparat.
Diese Erkenntnis wurde zudem mit Hilfe der Identifizierung der Tochternuklide bestätigt.
Außerdem wurde auch ein Nuklid außerhalb der Zerfallsreihen nachgewiesen,
welches auf natürliche Strahlung zurückzuführen ist.
Nachdem die qualitative Auswertung abgeschlossen ist und die wichtigsten Nuklide
im Spektrum bekannt sind, folgt nun die quantitative Analyse.
17 http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium
18 http://de.wikipedia.org/wiki/Glas#Gemenge
22

IV. 3. Quantitative Analyse des Spektrums
IV. 3.1 Relative Aktivität der Radionuklide
Im folgenden wird die Aktivität der Nuklide im Uranschnapsglas bestimmt. Demzufolge
wird bei diesem Schritt jeder Photopeak quantitativ ausgewertet.
Zunächst muss festgestellt werden, wie viele Impulse bei der gewünschten Energie
gemessen wurden. Folglich muss die Anzahl an Impulsen im ganzen Photopeak ausgerechnet
werden, was über die Flächenberechnung eines Peaks erreicht wird.
In Abbildung IV.16 ist ein Beispiel zu sehen.
Abb. IV.16
Der grau markierte Teil des Photopeaks ist das Untergrundrauschen, welches auch in
einem Leerspektrum vorhanden ist (vlg. IV.1.2). Für die quantitative Analyse ist also
vor allem der Nettopeakwert von Bedeutung. Das Programm MAESTRO, welches
auch für die Betrachtung der Spektren notwendig ist, besitzt die Funktion, diese Nettofläche
auszurechnen. Das Programm geht dazu folgendermaßen vor: Der Anwender
markiert den gewünschten Ausschnitt des Spektrums (s. Anhang III). Das Programm
liest anschließend die letzten 3 Kanäle auf der linken und rechten Seite, um
auf beiden Seiten einen Mittelwert für das Untergrundrauschen aufzustellen. Mit
diesen Werten rechnet es das Untergrundrauschen unterhalb des Peaks aus. Diesen
Wert zieht es dann vom kompletten Peak, dem Bruttowert, ab und erhält den Nettowert.
Der nun erhaltene Wert gibt die Zerfälle an, die der Ge(Li)-Detektor gemessen
23

hat. Wie im Kapitel IV.1.1 schon erklärt worden ist, detektiert das Gerät nicht alle
Zerfälle in der Probe. Zum einen spielt die Zählausbeute des Detektors eine Rolle, da
nicht alle γ-Quanten die Detektorplatte treffen 19 .
Des Weiteren spielt, wie auch schon bei der qualitativen Analyse, die Übergangswahrscheinlichkeit
(vgl. IV.2.1.3) eine wichtige Rolle, und muss berücksichtigt
werden. So ergibt sich folgende Rechnung für die Aktivität zur Zeit t:
A
t
Nettoimpulse⋅100⋅100
=
Zeit[] s ⋅A[%] ⋅H[%]
A:= Zählausbeute des Detektors
H:= Übergangswahrscheinlichkeit
IV. 3.1.1. Aktivität von Uran 238
Bei der quantitativen Auswertung von Uran 238 stößt man auf das gleiche Problem
wie bei der qualitativen Analyse: Es gibt keine analysierbaren Ergebnisse für dieses
Isotop. Trotzdem ist es möglich, die Aktivität des Nuklids unter gewissen Rahmenbedingungen
zu ermitteln. Unter Zuhilfenahme des radioaktiven Gleichgewichts ist
dieser Aktivitätsbestimmung von Uran 238 über das Tochternuklid möglich. Die
Zusammenhänge werden im nächsten Kapitel erläutert.
IV. 3.1.2. Radioaktives Gleichgewicht
Die Aktivität und die Teilchenmenge der Radionuklide in einer Zerfallsreihe stehen,
abhängig von den Halbwertszeiten der Mutter- und Tochternuklide, in einem bestimmten
Verhältnis 20 . Das hat bei der quantitativen Analyse von Uran 238 eine große
Bedeutung, da bei diesem Isotop die zwei vorhandenen Energiewerte für Gammastrahlung
unter 0,07% liegen und somit nicht ausreichend detektiert worden sind.
Deswegen muss man hier auf das radioaktive Gleichgewicht zurückgreifen und die
Aktivität über die Folgeprodukte bestimmen.
Das Tochternuklid von Uran 238 ist Thorium 234. Auf Grund der langen Halbwertszeit
von Uran 238 und der kurzen Halbwertszeit von Thorium 234 liegt hier ein säku-
19 Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of Environmental Radioactivity S.48
20, Einführung in die Kernchemie, S.122
24

lares Gleichgewicht vor 2 . Ein solches Gleichgewicht stellt sich nach 10 Halbwertszeiten
des Tochternuklids ein und beträgt im Falle dieses Thoriumisotops 241 Tage.
Nach Ablauf dieser Zeit ist die Teilchenanzahl der Tochter konstant. Diese Erkenntnis
ist auf den großen Unterschied bei den Halbwertszeiten zurückzuführen. Durch
die lange Halbwertszeit von Uran 238 ist die Teilchenanzahl dieses Nuklids praktisch
konstant. Andererseits bewirkt die kurze Halbwertszeit von Thorium 234, dass nach
Ablauf einer bestimmten Zeit die Aktivität des Thoriums so weit gestiegen ist, dass
genauso viele Thoriumatome zerfallen wie gebildet werden. Dann ist die Aktivität
des Tochternuklids gleich der des Mutternuklids 3 .
Da das zu untersuchende Objekt älter als zwei Jahre ist, hat sich das Gleichgewicht
eingestellt und man kann nun durch Ermitteln der Aktivität von Thorium 234, Protactinium
234 und Protactinium 234m auf die Aktivität von Uran 238 schließen.
IV. 3.1.3. Thorium 234
Für die Berechnung der Aktivität von Thorium 234 wird die in Kapitel IV.3.1 genannte
Formel verwendet. Nach Einsetzen der Werte bei 63,29 keV ergibt sich folgende
Rechnung:
Nettoimpulse 524037
A t (Th234 (63,3keV)) = = = 157,86 Bq
Zeit[ s]
⋅A[%] ⋅H[%] 2766404 s ⋅3% ⋅4,0%
Durch dir Überlagerung von 92,8 keV und 92,4 keV muss bei der Berechnung die
Übergangswahrscheinlichkeit von beiden Energien addiert werden:
2156638
A t (Th234 (92,8keV; 92,4keV)) = = 131,00 Bq
2766404 s ⋅11% ⋅5,41%
Der Peak bei 112,8 keV ist zu stark überlagert, sodass dieser nicht in die Rechnung
einbezogen wird.
Die durchschnittliche Aktivität von Thorium 234 beträgt also 144,43 Bq.
2 Einführung in die Kernchemie, S.122
3 Einführung in die Kernchemie, S.126f
25

IV. 3.1.4. Protactinium 234m
Für die beiden Werte bei Protactinium 234m ergeben sich folgende Aktivitäten :
123912
A t (Pa234m (1001,02 keV)) = = 316,86 Bq
2766404 s ⋅2, 4% ⋅0,589%
58663
A t (Pa234m (766,36 keV)) = = 330, 46 Bq
2766404 s ⋅3,1% ⋅0,207%
Der Mittelwert ist folglich 323,66 Bq.
IV. 3.1.5. Protactinium 234
15654
A t (Pa234 (131,3 keV)) = = 0,289 Bq
2766404 s ⋅14% ⋅14%
6257
A t (Pa234 (227,1 keV)) = = 0,567 Bq
2766404 s ⋅3,99% ⋅10%
3182
A t (Pa234 (569,3 keV)) = = 0,349 Bq
2766404 s ⋅7,84% ⋅4,2%
1532
A t (Pa234 (733,0 keV)) = = 0,287 Bq
2766404 s ⋅6,02% ⋅3,
2%
3284
A t (Pa234 (946,0 keV)) = = 0, 485 Bq
2766404 s⋅9,8% ⋅2,5%
Mittelwert : 0,395 Bq
IV.3.1.6 Uran 235
313653
A t (U235 (143,8 keV)) = = 7,36 Bq
2766404 s ⋅11% ⋅14%
143574
A t (U235 (163,3 keV)) = = 7,57 Bq
2766404 s ⋅5,08% ⋅13,5%
1545748
A t (U235 (185,7 keV)) = = 7,51 Bq
2766404 s⋅57, 24% ⋅13%
Mittelwert : 7,48 Bq
26

Wie in Kapitel IV.2.2.1. erwähnt, handelt es sich bei 185,7 keV um eine Überlagerung
mit Ra226. Dennoch hat Ra226 durch seine, im Vergleich zu U235, sehr kleine
Übergangswahrscheinlichkeit, keine bzw. nur sehr kleine Auswirkungen auf die
Größe des Peaks. Hinzukommt die Tatsache, dass von Ra226, bedingt durch seine
Lage in der Zerfallsreihe, nicht viel im Präparat vorliegt. Ferner verkleinert die Bildung
des Mittelwerts den möglichen Fehler zusätzlich.
IV. 3.1.7 Thorium 231
131074
A t (Th231 (84,2 keV)) = = 7, 44 Bq
2766404 s ⋅6,8% ⋅9,5%
Ergebnis: 7,44 Bq
Auf Grund der Tatsache, dass die restlichen Peaks nicht eindeutig abzugrenzen sind,
können sie in der quantitativen Analyse nicht hinzugezogen werden.
IV. 3.2. Zusammenhang
Bei genauer Auseinandersetzung mit den soeben ausgerechneten Aktivitäten wird
man Zusammenhänge, welche auch schon in der qualitativen Auswertung eine Rolle
gespielt haben, feststellen.
Beim Vergleich der einzelnen Aktivitäten des U-235, stellt man einen geringen Unterschied
der Werte fest, was auf einen geringen Fehler und gute Messergebnisse
hinweist. Angesichts des radioaktiven Gleichgewichts, welches sich zwischen U-235
und Th-231 einstellt, müssten beide Aktivitäten gleich groß sein. Diese Erwartung
wird nicht enttäuscht, denn Th-231 weicht nur mit 0,04 Bq von dem Uran-235-Wert
ab.
Anders sieht es zwischen den Werten von Th-234 und Pa-234m aus, welche für die
Aktivitätsbestimmung von U-238 wichtig sind. Beide Radionuklide haben mit U-238
ein säkulares Gleichgewicht aufgebaut und müssten folglich auch die gleiche Aktivität
besitzen. Dem ist aber nicht so. Pa-234m strahlt mit über doppelt so großer Aktivität
verglichen mit Th-234. Dabei ist zu erwähnen, dass Th-234 die ungenaueren
Messergebnisse liefert. Auf Grund des Doppelpeaks bei 92 keV und der Tatsache,
27

dass durch vermehrte Röntgenstrahlung in niedrigeren Energiebereichen ist anzunehmen,
dass der Wert für Th-234 zu niedrig ist. Zumal ein Tochternuklid in einem
säkularem Gleichgewicht keine höhere Aktivität haben kann.
Sehr aufschlussreich ist der Vergleich von Pa-234 und Pa-234m. Wie im Kapitel
IV. 2.2.6. erklärt, ist bei Pa-234m nur annähernd 100% β-Zerfall zu beobachten. Ein
kleiner Bruchteil geht über isomere Umwandlung in Pa-234 über. 21 Das Verhältnis
der beiden Bruchteile entspricht dem Verhältnis der beiden Aktivitäten.
t
t ( − )
( − )
A Pa 234 0,395 Bq
= =
A Pa 234m 323,66 Bq
Demzufolge ist das Verhältnis der beiden Vorgänge annäherungsweise auch mit einem
Gammaspektrum zu bestimmen. Der Fehler von 0,8E-04 ist auf Messfehler
bzw. auf Ungenauigkeiten bei der Auswertung zurückzuführen.
IV. 3.3. Natürliches Uran
Natürliche Uranvorkommen sind in der Natur nur als Uranerze anzutreffen. Bei diesen
natürlichen Vorkommen herrscht ein ganz bestimmtes Verhältnis zwischen den
einzelnen Isotopen. Die Nuklide mit dem größten Massenanteil sind U-238 (99,28%)
und U-235 (0,72%). Bei Ermittlung der Teilchenanzahl dieser Isotope im Präparat
erwartet man an das gleiche Verhältnis wie bei natürlichem Uran.
IV. 3.4. Verhältnis U-235 / U-238 in der Probe
Im Folgenden wird die Teilchenanzahl für U-238 und U-235 ermittelt. Mit Hilfe des
Zerfallsgesetzes kann über die Aktivität des jeweiligen Nuklids die Teilchenanzahl
bestimmt werden.
21 Einführung in die Kernchemie, S. 238
1, 22E-03
Isomere Umwandlung bei Pa-234m [%] 0,13%
= =
1,30E-03
Betazerfall bei Pa-234m [%] 99,87%
28

Für diese Berechnung wird folgende Gleichung verwendet: 22
ln 2
At = λNt
wobei λ =
T
Nach Umformen erhält man:
N
At
=
λ
Bei Verwendung der im vorigen Kapitel errechneten Aktivitäten ergeben sich folgende
Rechnungen:
Für das Verhältnis der Radionuklide ergibt sich aus den errechneten Aktivitäten folgender
Wert:
Auffällig an diesem Wert ist der geringe Massenanteil von U-235. Im Präparat ist
prozentual nur halb soviel U-235 vorhanden wie in natürlichem Uran. Allein durch
einen Messfehler kann so ein großer Unterschied nicht zustande kommen.
Nach gründlicher Recherche stößt man auf die Tatsache, dass die Verwendung von
natürlichem Uran in Uranglas nur vor 1950 üblich war. Seitdem wird angereichertes
Uran, mit einem U-235-Gehalt von 3%, für militärische als auch zivile Zwecke benö-
22 Einführung in die Kerchemie, S. 115
t
1/2
ln2
λ(
U235) = = 3,122E-17 s
7,05E+08y
ln2
λ(
U238) = = 4,917E-18 s
4,47E+09y
−1
−1
7,48 Bq
Nt ( U235) = = 2,396E+17
−1
3,122E-17 s
323,66 Bq
Nt ( U238) = = 6,582E+19
−1
4,917E-18 s
Massenanteil(U-235) 0,363%
=
Massenanteil(U-238) 99,637%
29

tigt. Um letzteres Herzustellen ist es nicht möglich U-235 komplett aus dem Isotopengemisch
zu entfernen. Folglich entsteht bei der Anreicherung auch abgereichertes
Uran, bei welchem der U-235-Massenanteil von 0,35% gemessen wird. Dieser Wert
entspricht mit nur geringer Abweichung dem Messergebnis des Uranschnapsglases.
Es kann somit der Schluss gezogen werden, dass dieses Glas mit sehr großer Wahrscheinlichkeit
nach 1950 hergestellt wurde.
IV. 4. Bundesgesetzblatt zu den Freigrenzen
Ist die Menge an den radioaktiven Stoffen in diesem Glas überhaupt in Deutschland
gestattet für den privaten Besitzer? Um diese Frage zu klären reicht ein Blick in das
Bundesgesetzblatt von 2001: 23
Isotop Erlaubt Enthalten
U-238 10000 Bq 10 Bq/g 4,45 Bq/g
U-235 10000 Bq 10 Bq/g 0,10 Bq/g
Th-234 100000 Bq 1000 Bq/g 4,45 Bq/g
Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass die jeweiligen Isotope im Uranschnapsglas
unterhalb der Freigrenzen liegen und somit das Besitzen von Uranglas erlaubt ist.
IV. 5. Folgen für den Besitzer
Natürlich stellt sich die Frage nach der Bedenklichkeit bei der tatsächlichen Anwendung
eines solchen Glases. Allein schon durch die Anwesenheit von „Uran“ im Namen
suggeriert es eine gewisse Skepsis gegenüber dem Gegenstand. Effektiv enthält
das Schnapsglas 26 mg Uran. Mit diesem Wert kann man aber nicht abschätzen ob
das Glas gefährlich ist oder nicht. Diese Frage lässt sich über die Äquivalenzdosis
klären. Als gefährliche Substanzen sind nur Uran, Thorium und Protactinium zu betrachten,
da diese die größte Aktivität im Glas besitzen.
23 Bundesgesetzblatt, S.1797
Tb IV.6
30

Um die Äquivalenzdosis H zu errechnen wird folgende Formel verwendet:
W
H = Q⋅ m
Q: = Qualitätsfaktor
Qγ,β = 1; Qα = 20
Da die Energie bei einem Betazerfall des Thoriums oder Protactiniums kleiner ist, als
die von einem Alphazerfall von Uran, wird nur der Wert für Uran ausschlaggebend
sein. Uran 235 kann vernachlässigt werden, da es nur zu 0,36% vorliegt und die
Strahlenbelastung nur sehr geringfügig erhöhen würde. Im Folgenden wird die Äquivalenzdosis
für U-238 berechnet:
323,66 ⋅4, 27MeV 323,66⋅4,27 ⋅1,6E-13
J
H = 20⋅ = =
5,53E-11 Sv
80 kg 80 kg
5,53E-11 Sv ist auf Grund der verwendeten Aktivität, welche natürlich auf eine Sekunde
bezogen ist, nur auf diesen Zeitraum berechnet. Um den Wert zu vergleichen
muss man noch in Sievert pro Jahr umrechnen. Dann erhält man 1,74 mSv pro Jahr.
Der menschliche Körper ist einer jährlichen Strahlenbelastung von ca. 2 mSv ausgesetzt.
Diese wird unter anderem von terrestrischer Strahlung oder Höhenstrahlung
verursacht. Folglich steigert man die Strahlenbelastung während des Kontakts über
80%. Das ist allerdings nur der Maximalwert. 1,74 mSv ist der Wert für den Fall,
dass die Energie von allen Teilchen übertragen wird. Da aber durch Kleidung oder
auch schon durch die Haut sehr viel absorbiert wird, ist der tatsächliche Wert um
einiges kleiner. Außerdem verlässt fast gar keine α-Strahlung das Glas, da sie im
Glas eingeschlossen ist. Die einzige Strahlung die ungehindert in den Körper ein-
dringen kann, ist die γ-Strahlung. Da sich aber der Energiewert der Strahlung im
keV-Bereich aufhält, ist die Belastung durch γ-Strahlung ebenfalls viel kleiner als der
errechnete Wert.
31

V. Bewertung
Zusammenfassend kann man sagen, dass Uranglas nicht so gefährlich ist, wie es vielleicht
der Name vermuten lässt. Es ist ein sehr außergewöhnlicher Blickfang mit langer
Geschichte. Grundsätzlich ist gegen den Gebrauch von Uranglas prinzipiell auch
nichts einzuwenden. Allerdings sollte man trotzdem im Hinterkopf behalten, dass es
sich hierbei um radioaktives Material handelt, und dass verschiedene Menschen die
Wirkung unterschiedlich verkraften.
VI. Anhang
Anhang I. Abschirmung des γ-Spektrometers
32

Anhang II. Komplettes Spektrum
33

Anhang III. Maestro Screenshots
41

VII. Literaturverzeichnis
Keller, Cornelius: „Radiochemie”
Gesellschaft für Kernforschung m.b.H. Karlsruhe, 1975
Lieser, Karl Heinrich: „Einführung in die Kernchemie“
Lieser, Karl Heinrich, Weinheim, 1969
Von Philipsborn, Henning und Geipel Rudolf:
„Uranfarben, Urangläser, Uranglasuren“
Heimrath, Ralf, Kümmersbruck, 2005
Wikipedia.de: http://de.wikipedia.org/wiki/Uran am 18.01.2008
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalium am 20.01.2008
http://de.wikipedia.org/wiki/Glas#Gemenge am 30.12.2007
Peterson, Randolph S.:Experimental γ Ray Spectroscopy and Investigations of
Environmental Radioactivity
Spectrum Techniques, 1996
Volkmer, Martin: „Radioaktivität und Strahlenschutz“
Informationskreis Kernenergie, Berlin, 2004
Bundesgesetzblatt – Teil I, Nr 38
Bonn, 2001
http://www.fz-juelich.de/gs/doku/SSV_Bundegesetzblatt_38.pdf
1c_KernchemieLow%20Level1.pdf
http://www.tu-darmstadt.de/fb/ch/akplenio/Teaching/
Skripte_FGP_Vorlagen/2005/1c_KernchemieLow%20Level1.pdf am 05.01.2008
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