Thorium Unboxed

[opengeiger.de]

Was ich denke, was beim alten Thorium ein großes Problem ist, ist die Ungestörtheit des Gleichgewichts. Gerade in der Natur gibt es sicher auch chemische Prozesse, welche auf das Gleichgewicht einwirken. Es gibt sicher nicht nur die Emanation des Thoron als Faktor der das Gleichgewicht ändert. Auch Radium ist ja relativ reaktionsfreudig. Radium hat dazuhin noch eine gewisse Wasserlöslichkeit. Von daher denke ich, die Annahme des vollständigen Gleichgewichts in der Natur macht man sicher nur, weil man es nicht besser abschätzen kann, nicht weil es stimmt. 

[NoLi]

Thorium ist immer wieder spannend. 2 sehr unterschiedliche Proben im Vergleich. Der Sand hat wohl eine bessere Belüftung, oder welche Erklärung gibt es? Das Thoriumfluorid ist sicher sehr rein, da es als Substanz zum Aufdampfen für optische Schichten gedacht war.
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Erstmal: waren die beiden Probengeometrien, die Probenbehälter, die Probendichte und die Messgeometrie 100%ig gleich?

Norbert

[NoLi]

Was ich denke, was beim alten Thorium ein großes Problem ist, ist die Ungestörtheit des Gleichgewichts. Gerade in der Natur gibt es sicher auch chemische Prozesse, welche auf das Gleichgewicht einwirken. Es gibt sicher nicht nur die Emanation des Thoron als Faktor der das Gleichgewicht ändert.
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In Mineralien, wenn sie nicht gerade porös und wasserdurchlässig sind, kann man, bis auf die äußerste Oberflächenschicht, von einem vollständigen Gleichgewicht der Tochternuklide ausgehen.

Norbert

[opengeiger.de]

Ich könnte mir denken, dass das Gleichgewicht vor allem für die Th-Sande (Monazit) z.B.aus Kerala oder Guarapari (Espirito Santo) nicht gilt. Auch in Bayern kann man Th-Sande in Flüssen des Bayerischen Walds finden. @Peter-1,  wo war die Sand-Probe her?

[NoLi]

Ich könnte mir denken, dass das Gleichgewicht vor allem für die Th-Sande (Monazit) z.B.aus Kerala oder Guarapari (Espirito Santo) nicht gilt. Auch in Bayern kann man Th-Sande in Flüssen des Bayerischen Walds finden. @Peter-1,  wo war die Probe her?

Stimmt. Sandpartikel sind sehr klein und weisen dementsprechend zur vorhandenen Masse eine sehr große Oberfläche auf. Nahezu 100%ige  Gleichgewichte sind eher in richtigen Mineraliengesteinsbrocken mit einem wesentlich kleineren Oberflächen- : Masseverhältnis anzutreffen.

Norbert

[Peter-1]

Die Geometrie bei so unterschiedlichen Proben gleich zu halten ist für mich nicht möglich.
Der gemessene Monazitsand stammt aus Tittling ( Goldwaschen ).
Morgen will ich versuchen noch eine Probe aus Brasilien Bahja und ein Monazit Brocken aus Madagaskar zu vergleichen.

[NoLi]

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Ich gehe mal davon aus, dass das Thoriumfluorid dicht eingeschlossen ist. Alter dieses Stoffs?

Pb-212 ist ein direktes Nachfolgenuklid von Rn-220. Dazwischen liegt nur das Po-216 mit einer Halbwertszeit von 145 mSek, kaum entstanden, zerfällt es mit einem Alpha-Zerfall zu Pb-212 (kann man übrigens sehr schön in einer Nebelkammer sehen). Die reduzierte Aktivität des Pb-212 im ThF4 könnte mit dem noch nicht ganz erreichten Gleichgewicht zusammen hängen.

Aber auch die unterschiedlichen Probengeometrien tragen zu den unterschiedlichen Peakhöhen (= Zählraten) bei, weil der Detektor bei beiden Probengeometrien verschiedene Wirkungsgrade besitzt.

Norbert

[opengeiger.de]

Der gemessene Monazitsand stammt aus Tittling ( Goldwaschen ).

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Da haben wir wohl an der gleichen Stelle Gold gewaschen.     Auch am gleichen Tag ??? 

[Peter-1]

Ach ich bin doch faul und habe mir das schicken lassen 

[opengeiger.de]

Ja, gehen wir doch mal zurück zum Spektrum von @Peter-1 des thoriumhaltigen Schwermetallsand bzw. der Th-Linse. @Peter-1 schreibt das Thorium sei spannend. Aber die spannendste Stelle im Spektrum des Thorium hat er gar nich markiert

!Selbst beim Sand aus Tittling (der Dank gebührt Prof. Philipsborn), wo ja ein Teil des Thoron entweichen kann, ist sie noch zu sehen. Ich denke, da sieht man die Antimaterie, die es sonst nur im Science Fiction gibt, z.B. beim Warp-Antrieb der StarTrek Raumschiffe (https://www.scinexx.de/dossierartikel/antimaterie-als-treibstoff/). Das ist der kleine aber bei beiden Spektren deutlich sichtbare Peak links neben der 583keV Linie des Tl208.

Also das ist keine Fiktion, sondern rührt ganz offensichtlich von realer Vernichtungsstrahlung mit 511keV. Die kann eigentlich nur entweder aus einem Beta+ Zerfall stammen oder... . Aber da gäbs höchstens das parasitäre Kalium noch was zu einem kleinen Teil so einen Beta+ Zerfall durchmacht, aber das ist doch recht unwahrscheinlich, wenn man sich den K40-Peak anschaut. In der Th-Zerfallsreihe gibts da nix Passendes zum Beta+ Zerfall. Da muss eigentlich viel mehr Schmackes dahinter sein. Ich glaube daher vielmehr, dass da tatsächlich Materie und Antimaterie zerstrahlt, genau wie beim Warp-Antrieb. Nur dass es real ist. Yap.

Dafür kann eigentlich nur eine kräftig gewachsene Tochter die Ursache sein. Und so was kann man im Hobby-Bereich unter Einhaltung der StrlSchV eigentlich nur mit einer natürlichen Thorium-Probe nachweisen. Oder lieg ich jetzt völlig daneben?

Siehe das Spektrum in https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=31981

PS: Sogar mit dem Radiacode lässt sich am alten Thorium im Spektrum die Antimaterie nachweisen:
https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=32002 , aber woher kommt sie?

[NoLi]

...
Das ist der kleine aber bei beiden Spektren deutlich sichtbare Peak links neben der 583keV Linie des Tl208.

Also das ist keine Fiktion, sondern rührt ganz offensichtlich von realer Vernichtungsstrahlung mit 511keV. Die kann eigentlich nur entweder aus einem Beta+ Zerfall stammen oder... .
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Das ist der 510,74 keV Peak des Tl-208, der eine Emissionsintensität von rund 8,1% besitzt.

Siehe hier, Seite 16:  https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/strlsch_messungen_gamma_natrad_bf.pdf

Norbert

[opengeiger.de]

Das ist der 510,74 keV Peak des Tl-208, der eine Emissionsintensität von rund 8,1% besitzt.

Siehe hier, Seite 16:  https://www.bmuv.de/fileadmin/Daten_BMU/Download_PDF/Strahlenschutz/strlsch_messungen_gamma_natrad_bf.pdf

Ok, das wäre eine Erklärung!

Hier eine andere:
Alle Proben (Th-Linse, Schwermetallsand und Magnetron) enthalten ,,altes" Th232, in anderen Worten ,,altes Th232+" oder noch knapper ausgedrückt Th232sec. D.h. das Th232 befindet sich grob im säkularen Gleichgewicht mit all seinen Töchtern, sogar im Schwermetall-Sand. Insbesondere beim Sand ist die Annahme, dass nur ein Teil des Thoron entweichen kann und deswegen auch die Töchter mit Atommasse < 220 noch signifikant vorhanden sind.

Nun gibt es meines Wissens keinen Beta+ Zerfall in der Zerfallsreihe des Thorium. Wir sehen aber ganz klar einen 511keV Peak knapp neben der 583keV Linie des Tl208 sogar mit dem Radiacode.

Jetzt gäbe es allerdings oft auch parasitäres K-40, das einen EC Beta+ Zerfall im Zerfallsschema hat (https://www.internetchemie.info/isotop.php?Kern=K-40). Allerdings ist die Wahrscheinlichkeit dafür äußerst gering (0.001%). In einem Gamma-Spektrum des K-40 kann man normalerweise nichts von einem 511keV Peak erkennen (Beispielspektrum von Gammaspectacular):
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Also muss die Antimaterie in Form von Positronen, um die es hier geht, vom Th232+ stammen. Ein schönes Beispiel eines Th-Spektrums findet man auch bei Gammaspectacular mit markiertem 511keV Peak und man findet auch die Gammalinien des Th232sec schön gelistet.
https://www.gammaspectacular.com/

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Nun gibt es einen Photonen-Wechselwirkungs-Mechanismus der Antimaterie erzeugen kann, das ist die Paarbildung. Ein Photon aus dem Th232sec könnte also auch in Positron und Elektron zerstrahlen und die so gebildete Antimaterie in Form von Positronen könnte dann mit dem Blei oder Kupfer in der Kammer wechselwirken, so dass die Positronen so weit abgebremst werden, dass sie mit Elektronen wieder rekombinieren und dabei Vernichtungsstrahlung frei wird. Das wären dann also zwei 511keV Photonen, die in entgegengesetzter Richtung auseinanderfliegen wie beim PET (z.B. mit FDG) und schließlich im Detektor registriert werden.  Allerdings ist da ein Unterschied zum F18 im FDG beim PET. Für die Paarbildung bei der Generierung von Positronen in einem Absorber muss ein primäres Photon mindestens 1022keV an Energie haben. Was dafür in Frage käme, wäre das K-40 Photon bei 1460 keV wieder, der Ac228 Übergang bei 1588keV und der 2614keV Übergang des Tl208. Schaut man nun aber in die Liste von Gammaspectacular, dann fällt einem aber gleich die 99% Wahrscheinlichkeit des 2614keV Übergangs des Tl208 auf, der von der Intensität her alles andere in den Schatten stellt. Und wir wissen seit der Diskussion hier, dass bei altem Thorium das Tl208 als Tochter im Gleichgewicht dieselbe Aktivität hat, wie das Th232, also 4070Bq pro Gramm Th232sec. Bei 99.75% Wahrscheinlichkeit erzeugt daher praktisch jeder Zerfall ein Photon mit der hammerharten Energie von 2614keV.

Das etwas vereinfachte Zerfallsschema des Tl208 kann man sich hier anschauen:
https://www.researchgate.net/publication/361582520/figure/fig3/AS:11431281222216228@1707141784467/Simplified-Tl-208-b-decay-scheme_W640.jpg

In einem normalen Gammaspektrum erscheint diese 2614keV Linie aber immer mit der schlechten Detektoreffizienz bei dieser Energie massiv gedämpft und erscheint daher selbst bei einem großen NaI Detektorkristall recht klein. Beim Radiacode ist sie gar ganz putzig. In einem mit der Detektoreffizienz entzerrten Spektrum ist dagegen die Tl208 Linie bei 2614keV intensiver als z.B. die des Pb212 bei 238keV mit 34% Intensität, die jeder kennt und die das Spektrum beim Radiacode normalerweise völlig dominiert. Das täuscht also gewaltig.


Meines Wissens befindet sich nun in @Peter-1 sehr gewissenhaft gebastelter Messkammer für die Gammaspektroskopie eine Schicht Kupfer gefolgt von Blei als Abschirmung. Schaut man sich nun die Massenschwächungskoeffizienten (z.B. in Hanno Krieger, Strahlungsphysik) an, dann kann man den Bereich ,,kappa/rho" erkennen, wo Paarbildung in einem Absorber relevant ist, dann sieht man, dass das Eck beim Kupfer (und beim Blei) nur ein ganz kleiner Bereich rechts unten im Diagramm ist.
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Die gestrichelte Kurve, welche die Gleichheit von Comptonsteuung und Paarbildung andeutet, erreicht den kleinen Wert von 0.004 für my/rho geradeso bei 2MeV. Die 2.6MeV des Tl208 liegen da aber drüber, und das bedeutet, dass für den Tl208 Übergang 2614keV die Paarbildung dominiert und daher Antimaterie in Form von Positronen generiert werden. Diese Positronen werden dann im Kupfer bzw. Blei so weit gebremst, bis sie unter Aussendung der beiden 511keV Photonen als Vernichtungsstrahlung von Materie und Antimaterie wieder rekombinieren.

Soweit also mein bisheriges Verständnis. Aber ich kann da auch falsch liegen, da sind wir nun ja derart tief in der Kernphysik, dass man leicht ins Schleudern kommen kann, wenn man sich damit nicht täglich befasst. Was ist Eure Meinung dazu? Ist das auch eine brauchbare Erklärung? Haben wir vielleicht sogar eine Überlagerung eines Anihilationspeaks und des 510keV Peaks vom Tl208?

[NoLi]

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Soweit also mein bisheriges Verständnis. Aber ich kann da auch falsch liegen, da sind wir nun ja derart tief in der Kernphysik, dass man leicht ins Schleudern kommen kann, wenn man sich damit nicht täglich befasst. Was ist Eure Meinung dazu? Ist das auch eine brauchbare Erklärung? Haben wir vielleicht sogar eine Überlagerung eines Anihilationspeaks und des 510keV Peaks vom Tl208?
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Für nicht ganz Wissende:
Ab 1022 keV Photonenenergie gibt es auch die Möglichkeit des Paarbildungseffektes; aus reiner Energie wird Materie. Wenn dieses Photon in Kernnähe eines Atoms gerät, wird aus diesem Photon ein Elektron (negatives Elektron) und ein Positron (positives Elektron). Da das positive Anti-Elektron in unserer Welt nicht frei existieren kann, zerstrahlt es sehr schnell durch Verschmelzung mit einem negativen "normalen" Elektron wieder zu reiner Energie (2 x 511 keV, = Annihilation).

Ich denke, wir haben hier beides, eine Überlagerung des 511 keV-Annihilationspeaks und des 510,74 keV-Peaks des Tl-208. Wobei die Intensität des Tl-208 Peaks überwiegt.

Norbert

[NoLi]

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Das kommt nun darauf an, wie der Gesetzgeber das vollständig interpretiert bzw. meint:
- vollständig im Sinne der Anzahl der Tochternuklide und deren Aktivitäten.
- vollständig im Sinne der Berücksichtigung der Tochternuklide ohne Anzahl und deren Aktivitäten.

Ich versuche mal, ne kompetente Klärung zu bekommen.
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Ganz geklärt werden konnte dies noch nicht (der Fall geht weiter).

Aber ein erster Hinweis: die bayerische Aufsichtsbehörde (das LFU in Augsburg) hat die Thorium-Aktivitätsfreigrenze für AUERNetze (= ein zerschnittener Glühstrumpf in dicht verschlossenem Döschen für kernphysikalische Experimente an Schulen) mit 10 kBq Th-232 benannt.


(Foto: IRS Hannover)

In anderen Anwendungsfällen soll man sich sicherheitshalber an die Th-232+ Freigrenze von 1 kBq halten, unabhängig vom Alter des Thoriums und dem Gleichgewichtszustands der Tochternuklide.

Norbert

[opengeiger.de]

Ich denke, wir haben hier beides, eine Überlagerung des 511 keV-Annihilationspeaks und des 510,74 keV-Peaks des Tl-208. Wobei die Intensität des Tl-208 Peaks überwiegt.

Zu diesem Thema die nette Anekdote, die direkt mit dem Thorium-C'' (die alte Bezeichnung für die Tl208 Tochter in der Th-Zerfallsreihe) zu tun hat:
 
Es geht nach der Verleihung von Nobelpreisen immer ein wenig die Streiterei los, wer denn nun wirklich die Entdeckung zuerst gemacht hat, und nur nicht an der richtigen Stelle saß. Genauso bei dem Nobelpreis 1948 für Physik, der mit der Entdeckung der Annihilationsstrahlung zu tun hat. So behauptet der Physik-Historiker Tim Dunker von in seiner Schrift:

"Who discovered positron annihilation?" (2022) :

Nein, es waren nicht Schrödinger oder Dirac auch nicht Blackett oder Thibaud und Joliot sondern Theodor Heiting aus Halle, so sagt er. In seinen Ausführungen begründet er das damit, dass Heiting sich die Th-Tochter ThC'' vorgenommen hatte (alte Bezeichnung fürs Tl208 in der Zerfallskette) und an dem Übergang Tl208-->Pb208 die Positronen-Annihilation nachgewiesen hat.

Seite 7 Zitat:
"In his experiments, Heiting used γ–rays from a RaTh source, which was equivalent to 28 mg of radium
(Heiting, 1934). This material emits electromagnetic radiation with a wavelength of 4.7 xu (Heiting, 1934),
which equals
λ = 4:7 xu --> Ekin = 2.63 × 10^6 eV ≈ 5.2 * me * c^2;
corresponding to the radioactive decay ThC", that is, the transition 208Tl --> 208Pb. This kinetic energy is
sufficient to create electron–positron pairs.

The γ–rays were incident on aluminium, iron, copper, and lead absorbers, respectively. An ionization
chamber was used to detect the penetrating radiation. Heiting measured the attenuation coefficients for all
the absorber materials, and reported the first results in August 1933 (Heiting, 1933a). Heiting discovered
that all the mentioned absorbers emitted a type of secondary radiation, which was independent of the
absorber element (Heiting, 1933a,b). Using Chao's method, who found that the attenuation coefficient is a function of wavelength (Chao, 1930), Heiting determined the mean wavelength from the measured
attenuation coefficients to be
λ = (23.8 ± 1.0) xu · Λ = 2.385 × 10^−12 m:
With today's values of the Planck constant and the speed of light, this wavelength corresponds to a photon energy of Ekin = (0.52 ± 0.02) × 10^6 eV. Well within the measurement uncertainty, this energy equals
an electron's rest mass. This finding was pointed out by Heiting in his second publication on the topic
(Heiting, 1933b), and he also interpreted that secondary radiation as recombination radiation ("Rekombinationsstrahlung") of an electron with a positron[11]: positron annihilation radiation."
Zitat Ende

Nun ist also die Frage, hat Heiting vielleicht doch nur die 510.77keV Linie des Tl208 gesehen, so wie @NoLi sagt?
Sehr spannend!

Das könnte man in einer GFS oder Oberstufen-Facharbeit (https://www.geigerzaehlerforum.de/index.php?msg=32003) auch noch diskutieren