Zerfallsreihen

[HakkiMalää]

Hallihallo,
ich stelle mir schon seit einiger Zeit die Frage, was eigendlich mit Mineralen, z.B. Uranoxid, passiert, wenn das instabiele Isotop zerfällt.
Dabei müsste sich doch auch die Bindung zum Sauerstoff, oder eben zu anderen Bindungspartnern ändern? Angenommen eine Probe Uranoxid mit U236 zerfällt über Thorium zu Radon...da is die Probe doch "weg". Werden in solchen Zerfallsreihen ständig neue Bindungen eingegangen?

Es kann sein, dass die Frage blöd ist...aber ich befass mich damit noch nich so lange

[Yoscha]

So weit ich mich erinnern kann zerstört sich Pechblende praktisch selbst.
Die radioaktive Strahlung durch den Zerfall des Urans beginnt langsam aber sicher das Kristallgitter der Pechblende zu zerstören.
Was letzten Endes eben nichts anderes heißt, als dass die Bindungen am Ende nicht mehr da sind, wo sie sein sollten .

[smoeller]

Hallo,

Gute Frage.

1. Bei den langen Halbwertszeiten der natürlichen Mutterisotope (U-238 z.B. 4,5 * 10⁹ Jahre) sind die Mengen an Spaltprodukten klein.

2. Es kommt sicherlich zu Gitterdefekten, die mit der Zeit anwachsen. Radioaktive Minerale werden mit der Zeit metamikt, d.h. verlieren ihre Struktur. Radioaktive Tochterisotope bleiben auf Gitterplätzen oder Zwischengitterplätzen oder gasförmige Isotipe diffundieren heraus (Radon-226).

Glück Auf!
Smoeller

[Hg]

Hallo,
also U-236 ist schon mal kein natürliches Uran-Isotop (nur U-238 und zu sehr kleinen Teilen U-235 und U-234). Die anderen radioaktiven Nuklide zerfallen nur sehr langsam (sehr hohe Halbwertszeiten). Die bei den Zerfällen entstandenen Isotope (bzw. Elemente) haben nach wie vor eine sehr hohe Affinität zum Sauerstoff. Nur das "Zwischenprodukt" Radon hält den Sauerstoff nicht gebunden.
Trotz der hohen Halbwertszeiten kann man in einem U-haltigen Mineral das komplette Spektrum der Zerfallsreihe nachweisen.

1. Bei den langen Halbwertszeiten der natürlichen Mutterisotope (U-238 z.B. 4,5 * 10⁹ Jahre) sind die Mengen an Spaltprodukten klein.

Da schmeißt du was ganz fürchterlich durcheinander 
Spaltprodukte erhält man nicht aus dem Zerfall von U-238, sondern bei der Spaltung von U-235 mit thermischen Neutronen. Typische Spaltprodukte sind dann Cs-137, Sr-90, I-129 usw. Das ist ein gewaltiger Unterschied zur natürlichen Zerfallsreihe, da diese Nuklide beim natürlichen Zerfall über alpha- und beta-Zerfälle niemals vorkommen!!
Gruß
Andreas

[Krizu]

Hallo Andreas,

du hast doch bestimmt die Nuklid-Karte vor Augen.
Steht da nicht doch bei einigen Isotopen ein SF mit einer kleinen %-Zahl?

MfG

Frank

[Hg]

Moin Frank,
auf der Nuklidkarte stehen bei U-238 und U-235 Zahlenwerte für Spontanspaltung. Aber da kann mir keiner erzählen, dass man da etwas an Spaltprodukten groß was finden wird:
SF U-238: 5,47*10^-6%
SF U-235: 2,0*10^-9%
Ein typische Spantanspalter ist z.B. Cf-254 
Smöller hat da einfach zwei völlig unterschiedliche Begriffe durcheinandergebracht. Nach der Spaltung war ja in der Ausgangsfrage auch nicht gefragt 
Gruß
Andreas

[Krizu]

ok, das sind wirklich kleine Zahlen 

MfG

Frank

[smoeller]

Hallo,

Sorry, meinte natürlich Tochterisotope/Zerfallsprodukte.

Man datiert das Alter von Erzgängen auch mit der U-Pb-Zerfallsreihe in Pechblende. Dies ist aber ungleich schwieriger und ungenauer als etwa den ⁴⁰K-Zerfall der hydrothermal alterierten Feldspäte/Biotite/Amphibole des Nebengesteins heranzuziehen. Pechblende kann nämlich sehr entweder Fremdelemente einbauen oder eng mit Pb-Sulfid verwachsen sein. Auch diffundieren Zerfallsprodukte leicht über Risse heraus.

Für solche Anwendungen ist die Frage, wie z.B. das Blei in der Pechblende oder im Zirko gebunden wird, sehr interessant und über Zirkon gibt es zumindest Forschungen.

In jedem Falle sind die radioaktiven Zerfallsprodukte hier Störstellen. In Zirkon liegt U z.B. in der Wertigkeit +IV vor, die mit dem Zr⁴⁺ gut übereinstimmt. Pb liegt dagegen als Pb²⁺ vor. Hier ist die Ausgangsfrage tatsächlich gut: Werden ständig neue Bindungen geknüpft?  In der Tat wohl eher nicht. In der Realität entstehen lokale Ladungsdefekte (2+ statt 4+ usw.). Dies führt schließlich zu einer Zerstörung des Gitters, der Kristall wird isotrop (metamikt).

Selbst wenn neue Bindungen geknüpft würden (wüsste aber nicht, dass das in der Realität passiert), würde der Kristall das nicht lange mitmachen. So zerfällt Radium (+2) zu Radon (+0) und dieses weiter zu Polonium (+2,+6). Und dies innerhalb von nur wenigen Tagen. Eine Verbindung mit vierwertigem U würde hieran wohl in jedem Falle zu knabbern haben.

Glück Auf!
Smoeller

[HakkiMalää]

Danke für die vielen aufschlussreichen Antworten
Ich muss nämlich sagen, dass ich selbst im Chemie Leistungskurs meine Frage hab nicht beantworten können.
Nun weis ichs

PS: Ist sowas auch gebiet der Geochemie?

[Krizu]

Hallo,

ich würde mich echt nicht an chemische Bindungen in einem Kristall aufhängen. Ein Kristall ist eher ein Kollektiv (wie die Borgs  ). Du kannst Sauerstoffleerstellen haben, du kannst Zwischengitterplätze besetzten und das Ganze in einer Höhe, die eher dramatisch ist (Stichwort: Reale Dichte vs. Röntgendichte).

Wenn ein Zirkon jetzt echt mal 1% U im Gitter hat, zerfällt davon pro Jahr nur eine kleine Menge, vermutlich ppb - genaue Zahlen habe ich gerde nicht. Also sind wir mit der Störstellenbildung mit Zerfall pro Jahr im oben ppt-Bereich. Gleichzeitig mit dem Alpha-Zerfall fährt aber der Alpha-Panzer durchs Gitter und erzeugt einige Milliarden Ionenpaare.

Was ist schlimmer? Die Wertigkeitsänderung eines Atoms um zwei in einem Kollektiv von Atomen oder die vielen Ionenpaare?

MfG

Frank

[Hg]

Hallo Frank,
ich muss da noch was berichtigen. Die Zahlen von oben sind nicht die Zerfallswahrscheinlichkeiten, sondern das Verzweigungsverhältnis zwischen alpha und SF (branching ratio). Die Wahrscheinlichkeiten für SF ist für die beiden U-Isotope aber auf jeden Fall < 5 %.
Die Verzweigungsverhältnisse sind dann:
U-235 2,0*10^-10
U-238 5,47*10^-7
Gruß
Andreas

[Krizu]

ändert aber nichts an der Rechnung ;-)

MfG

Frank

[smoeller]

Hallo,

@HakkiMalää:

Radiometrische altersdatierung ist eines der Hauptgebiete der Geochemie. Die meisten Altersdatierungen an Gesteinen werden auf diese Weise gewonnen.

@Krizu: Zirkon kann bis zu 12 % Uran und 5 % Th, Monazit ca. 5 % U und bis zu 18 % Th aufnehmen. Das über bis zu 4.3 Mrd. Jahre (älteste Zirkone) nenne ich keine Kleinigkeit.

Aber du hast auch Recht: Ein großteil der Zerstörungen beruht auch auf Alpha-Teilchen. Allerdings nur, wenn die Temperatur nicht zu hoch ist (Apatit <70°C), sonst kommt es zur Ausheilung der Spuren ("Fission Tracks"). Diese Methode wird ebenfalls zur Datierung von Gesteinen angewandt. Man zählt die Spuren in bestimmten kristallographischen Richtungen (Apatit parallel der c-Achse) aus und erhält aus der Menge der Spaltspuren das Alter, bei dem der Kristall unter der Verheilungstemperatur lag. Dies ist wichtig für die rekonstruktion von Plattenbewegungen und Hebungen von Gebirgen.

Glück Auf!
Smoeller