Thorium Unboxed

[opengeiger.de]

@SievertGray Und jetzt? Was willst Du uns mit den Zitaten und Grafiken sagen? Lesen kann ich auch. 

[opengeiger.de]

Du hast die spezifische Aktivität des Th-228 in Bq/g. Jetzt musst du nur noch ausrechnen, wieviel Nanogramm der tatsächlichen Aktivität von 0,5 Bq/g entspricht. Du wirst dann feststellen, dass selbst Pikogramm noch zu viel sind.   Nanogramm könnte man fast noch wiegen.    

Du wolltest sagen: "wieviel Nanogramm der tatsächlichen Aktivität von 0,5 Bq entsprechen", oder?
Nein, wir haben eben nicht 0.5Bq Th228, das ist doch genau das Problem. Wenn man einfach ausrechnet:
Am(Th-nat) = 0.5*am(Th232) + 0.5*am(Th228), und für am die spezifischen Massen-Aktivitäten einsetzt, dann kommen gerade die 1,52E13Bq/g raus, die falsch und absurd waren! Das funktioniert nicht. Klar, wenn ich wüsste ich hätte  tatsächlich 0.5Bq Th228, dann könnte ich mit am(th228) auch die Masse m(th228) dazu ausrechnen, ob in Nano- oder Picogramm, egal.

Ich fürchte, ich muss das erstmal sacken lassen, es ist schon zu spät heut abend     

[DL3HRT]

Du wolltest sagen: "wieviel Nanogramm der tatsächlichen Aktivität von 0,5 Bq entsprechen", oder?

Ja, natürlich. Mea culpa.

[opengeiger.de]

So, nachdem das Ganze etwas gesackt ist, habe ich nochmal einen Anlauf genommen und kann nun eine mathematisch korrekte Lösung präsentieren.

Wir starten also mit dem chemisch gereinigten Thorium-Metall und nennen dieses gereinigte Gemisch aus Th232 und Th228 Thmet. Dabei gehen wir davon aus, dass vor der Reinigung ein Gleichgewicht bestand, das dafür gesorgt hat, dass die Aktivität (aber nicht die massenspezifische!) von Th232 und Th228 gleich war und dieses Verhältnis über die chemische Reinigung erhalten blieb, da man die beiden Isotope bei der Reinigung nicht getrennt hat und die Reinigung so schnell vor sich ging, dass sich die Aktivität des Th228 trotz seiner kurzen HWZ nicht nennenswert geändert hat.

Also gilt:

m_th232 *am_th232 = m_th228*am_th228

wenn m die Massen sind und am die massenspezifischen Aktivitäten.

Zudem muss gelten:

m _thmet = m_th232 + m_th228

Mit ein wenig Umformen kann man diese beiden Gleichungen lösen, wenn man die massenspezifischen Aktivitäten am kennt.  Man kann sich die auch aus der HWZ, dem Atomgewicht und der Avogadro-Konstante selbst ausrechnen.

Es ergibt sich also:

m_th232 = m_thmet *am_th228/ (am_th232 + am_th228)

und

m_th228 = m_thmet – m_th232

wobei wir nun m_thmet zweckmäßigerweise auf 1g setzen, weil dann am_thmet= a_thmet/1g leicht anzugeben ist.
Wenn m_thmet = 1g ist, kommt  m_th228 dabei mit 1.3432e-10g raus.
 
Mit dieser Lösung können wir nun sagen:

a_thmet = 0.5* m_th232 *am_th232 + 0.5* m_th228*am_th228

Nimmt man nun für am_232 = 4.07E+03Bq/g an und für am_th228 = 3.03E+13Bq/g
Kommt für m_thmet = 1g raus: a_thmet = 4.07E+03Bq
Damit ist am_thmet = 4.07E+03Bq/g
Das ist also die massenspezifische Aktivität von frisch gereinigtem Thorium-Metall.

So, schauen wir uns nun die Altersgleichung von ursprünglich reinem Thorium-Metall an, sehen wir, dass für sehr altes Thmet sich alle Tochternuklide nachgebildet haben, also Ra228, Ac228 ... usw. Und weil diese aus dem Metall auch so gut wie nicht entweichen können, hat sich dadurch die Aktivität des alten Thorium-Metalls (>50Jahre) verdoppelt. Ich habe nun zur Sicherheit nochmal diese Quelle ausgegraben, wo das explizit bestätigt wird:
https://assets.publishing.service.gov.uk/media/5fdcc357d3bf7f3a340c689c/JSP_392_Chapter_29_-_THORIUM__Alt_Text_.pdf

Das wichtige ist jetzt, dass hier gesagt wird: ,,The activity of natural thorium is 4.1 kBq g-1 of Th-232" es ist also nur der Th232 Anteil im natürlichen Thorium. Weil aber nochmal gleichviel Aktivität aus dem Th228 mit verschwindend kleiner Masse dazkommt, haben wir 2*4.1kBq Aktivität im gleichen Gramm, also grob 8.2kBq/g. Damit passt jetzt alles zusammen.

Und es wird noch gesagt "together with similar activity levels of each daughter" das ist auch eine wichtige Aussage. Neben dem Th232 als Mutter gibt es noch 9(10) Töchter:
228Ra, 228Ac, 228Th, 224Ra, 220Rn, 216Po, 212Pb, 212Bi, 212Po/208Tl
Nach langer Zeit (>50 Jahre) sind wieder alle im Gleichgewicht, wenn aus dem Metall keine nennenswerte Menge Thoron entweichen kann, daher haben sie alle selbst nochmal denselben Aktivitätsbeitrag wie das Th232 selbst.
Es ergibt sich also insgesamt, wenn man alle Töchter mit dazu nimmt, und 212Po/208Tl  (64/35%) als 1 Tochter auffasst:
Am_th-nat = 10*4.1kBq/g =41kBq/g 

Nun gehen wir nochmal zurück zu den Massen und machen jetzt eine Abschätzung, weil ja am_th228 >> am_232 sein muss. Wir schreiben daher etwas anders:

m_th232 = m_thmet / (am_th232/am_th228+1)

wenn nun am_th228 >> am_232 gilt, muss m_th232 ≈ m_thmet sein, weil am_th232/am_th228 gegen Null geht. Die Masse von Th232 dominiert also völlig. Passt also. Nur dürfen wir eben nicht annehmen, dass m_th228 Null wird, weil die Aktivität a_th228=m_th228*am_th228

Edited, Frage ist beantwortet.

[SievertGray]

@SievertGray Und jetzt? Was willst Du uns mit den Zitaten und Grafiken sagen? Lesen kann ich auch. 

Das ist doch ein Thread zu Thorium Grundlagen. Du hattest verschiedenste Fragen dazu in den Raum gestellt, also dachte ich mir ein paar Grundlagen zur Thorium-Kette und dessen Verhalten nach Störung des Gleichgewichts durch Abtrennung könnten dem Thread nicht schaden? Ich bin allerdings nicht sicher ob ich das Ziel deines Vortrags zu 100% verstanden habe.

[opengeiger.de]

Hier ist noch ein Dokument das die Aussage macht:

The specific activity of natural uranium is 12445Bq/g and for natural thorium is 4059 Bq/g.

https://www.epa.wa.gov.au/sites/default/files/PER_documentation/A21%20Radiation%20Reports_0.pdf

Wenn das ohne Töchter gemeint ist, was käme dann durch die Töchter dazu?

[NoLi]

...
The specific activity of natural uranium is 12445Bq/g and for natural thorium is 4059 Bq/g.
...

Das ist auch nicht ganz richtig, denn dies ist die spezifische Aktivität von U-238. U-nat enthält aber auch U-235 und U-234, so dass die spezifische Uran-Gesamtaktivität für U-nat rund 25300Bq/g beträgt.

Aus  https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/Messanleitungen_2022/aequival_massakt_v2022-03_bf.pdf:

"Unat 1) 2,53·104" Bq/g

"1) Natürliches Uran Unat setzt sich aus den Uranisotopen U-238, U-235 und U-234 zusammen, die in
einem definierten Verhältnis zu einander stehen. Die spezifische Aktivität für Unat wird deshalb wie
folgt ermittelt:
𝑎𝑚,Unat = 0,992745 𝑎𝑚,U−238 + 0,0072 𝑎𝑚,U−235 + 0,000055 𝑎𝑚,U−234"

Norbert

[Peter-1]

Hallo Norbert,
kann ich Pechblende mit Unat gleichsetzen oder stimmt das nicht?

[NoLi]

Hallo Norbert,
kann ich Pechblende mit Unat gleichsetzen oder stimmt das nicht?

Ja, kannst Du. U-nat setzt sich aus U-238, U-235 und U-234 zusammen, und es sind aber auch alle Tochternuklide drinnen vorhanden.

Norbert

[opengeiger.de]

So, nun ist die Frage, die ich zu meiner Lösung noch gestellt habe, beantwortet.
Ich hatte am Ende der Rechnung noch eine falsche Annahme drin, die ich in dem Post oben nun korrigiert habe. Unser Großmeister @NoLi hat mich draufgebracht. 

Ich hatte eine Bedingung aus diesem dämlichen Dokument "Messanleitungen für die "Überwachung radioaktiver Stoffe in der Umwelt und externer Strahlung" vom BMUV in der Version 2013 übernommen: 1 Bq Thnat = 0,5 Bq Th-232 + 0,5 Bq Th-228

Das ist das, was noch falsch war und mich von @NoLi 's Angaben getrennt hatte. Es muss heißen:
 
a_thnat = a_th232 + a_th228 , wenn a die Aktivitaten sind.

Sowohl die Aktivität des Th-232 als auch des Th-228 tragen nämlich in vollem Umfang zur Aktivität des Thmet (nur das Thoron-Metall ohne die Töchter) gleichermaßen bei, weil das Th228 die gleiche Aktivität bei verschwindend kleiner Masse nochmal hat, also quasi im gleichen Gramm. Und damit kommt bei mir nun auch 8140Bq/g raus, wenn ich die massespezifischen Aktivitäten einsetze, welche in dem Dokument für beide Th-Isotope angegeben sind. Das ist jetzt im Fangbereich (vermutlich unterscheiden sich die Halbwertszeiten noch geringfügig). Mit den Töchtern sind wir uns auch einig, auch da trägt jede Tochter gleichermaßen bei, so dass wir final bei dem Wert von:
am_thnat = 41kBq/g landen.

Wir lernen also draus, weder ein namhaftes Ministerium, noch eine große Mining Company ist eine Garantie für richtige Zahlen. Es bleibt nur der Weg, zu versuchen es selbst zu verstehen. Und selbst da muss man noch hoffen, dass man es richtig verstanden hat. Aber in der Community konvergiert es dann doch meistens zum richtigen Ergebnis. 

[NoLi]

...
...Aktivität des Thmet (nur das Thoron-Metall ohne die Töchter) gleichermaßen bei,
...

Du meinst doch bestimmt THORIUM-Metall...

...
...so dass wir final bei dem Wert von:
am_thnat = 41kBq/g landen.
...

Und hier bestimmt 4,1 kBq/g...

Norbert

[opengeiger.de]

...
...Aktivität des Thmet (nur das Thoron-Metall ohne die Töchter) gleichermaßen bei,
...

Du meinst doch bestimmt THORIUM-Metall...

Ja, klar 

...
...so dass wir final bei dem Wert von:
am_thnat = 41kBq/g landen.
...

Und hier bestimmt 4,1 kBq/g...

Norbert

Neeeeein!

Wir hatten uns auf das verständigt (Dein Wortlaut): "Was die Töchteraktivität in der Summe angeht, so hat im kompletten radiologischen Gleichgewicht nach 60 Jahren jede der 10 Töchter die Aktivität der Mutter, also 4,1 kBq/g, in der Summe somit 10 x 4,1 kBq/g = 41 kBq/g (plus die 4,1 kBq der Mutter). Und Th-228 ist eine dieser 10 Töchter des Th-232. "

Wenn meine Schweissnadeln 50Jahre alt sind, liegen 41kBq/g auf meinem Tisch. Auch in der ThO2-Referenz der PTB müssten wir von 41kBq/g ausgehen wenn wir aufs Th alleine schauen. Auch da sind alle Töchter drin, genau wie im Th von DL3HRT's Magnetron Röhre. Die Frage ist, wie wir das Th nun nennen. Aber in Anlehnung an die Pechblende nenn ich das alte Thorium Metall mit den Töchtern Th-nat im Gegensatz zum chemisch frisch gereinigten Thorium-Metall Th-met mit ~8.2kBq/g. Ist das so nicht angebracht? Und ja die massenspezifische Aktivität des Isotops Th232 alleine ist 4.1kBq/g. Oder müssen wir jetzt nochmal ne Runde drehen?

PS: Es gibt noch die Bezeichnung Th232-sec, wäre das noch ein Namenskandidat???

[opengeiger.de]

Also, jetzt hab ich nochmal in der StrlSchV nachgeschaut (Fassung 2018, letzte Änderung 2024). Da finde ich  kein "nat" und kein "sec". Da gibt es zum Beispiel Th-232+ als Thorium mit allen Töchtern.

Beim Fachverband gibts alles, "nat" "sec" und "+".

"sec" finde ich aber ganz illustrativ. Also Th-232 sec wäre Thorium-232 im säkularen Gleichgewicht mit allen Töchtern.

Dann wäre "nat" also nur das elementare Isotopengemisch von Thorium, also bei Th-nat das Th-232 und Th228. Das erfordert dann die Altersangabe. Frisch gereinigtes Thorium Metall wäre also Th-nat(jung), ein HK300 Glühstrumpf wäre schon Th-nat (alt) aber gemeint wäre Th232 und Th228 ohne die Töchter. Wenn nat von natürlich kommt, nicht so ganz illustrativ, aber ja. Und in der Praxis nur unmittelbar nach der chemischen Trennung, Th-nat (alt) taucht in realen Stoffen nicht auf, weil die Töchter auch immer da sind. Also nur eine Rechengröße.

Und dann hatten wir eben noch die Isotope selbst z.B. nur Th232 oder nur Th228, bekommt man nur mit Isotopentrennung und in der Praxis selten.

Steht das so wo in der Literatur, oder ist das doch alles anders?     

[NoLi]

...
...Aktivität des Thmet (nur das Thoron-Metall ohne die Töchter) gleichermaßen bei,
...

Du meinst doch bestimmt THORIUM-Metall...

Ja, klar 

...
...so dass wir final bei dem Wert von:
am_thnat = 41kBq/g landen.
...

Und hier bestimmt 4,1 kBq/g...

Norbert

Neeeeein!

Sorry ! 
Ok, ich habe Thnat wegen den verschiedenen Bezeichnungen auch verwechselt und nur auf das reine Mutternuklid bezogen. Als Gesamtaktivität im Gleichgewicht mit allen Tochternukliden kommt man dann auf rund 41 kBq/g.

Norbert

[Peter-1]

Aus Wikipedia entnommen:
Wie muß ich das nun verstehen?



Peter