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Radioaktivität

Uranophan
Uranophan

Uranophan Stüfchen 47*42*39 mm ca. 86 Gramm mit pelz-/nadelartigen Büscheln; Fundort: Deutschland / Schwarzwald (Süd) / Menzenschwand; Funddatum: 2003

Stefan




Mit Radioaktivität (lat. radius ‚Strahl‘ und activus ‚tätig‘, ‚wirksam‘; dt. Strahlungsaktivität) bezeichnet man die Eigenschaft instabiler Atomkerne, sich spontan in andere Atomkerne umzuwandeln und dabei ionisierende Strahlung auszusenden. Die Bezeichnung wurde 1898 erstmals vom Ehepaar Marie Curie und Pierre Curie für das 1896 von Antoine Henri Becquerel entdeckte Phänomen geprägt. Dieser Umwandlungsprozess wird auch als radioaktiver Zerfall oder Kernzerfall bezeichnet. Atomsorten mit instabilen Kernen werden als Radionuklide bezeichnet.

Die beim Umwandlungsprozess frei werdende Strahlungsenergie wird in der Regel als α-, β- oder γ-Strahlung emittiert. Jede dieser Strahlungsarten ist für den Menschen – ebenso wie Höhen- und Röntgenstrahlung – ab einer bestimmten Dosis gefährlich und nicht direkt wahrnehmbar. Nach einer für den radioaktiven Stoff charakteristischen Zeit, der Halbwertszeit, halbiert sich dessen Menge und somit auch dessen Aktivität und Strahlenemission; diese Halbwertszeit kann im Bereich von Sekundenbruchteilen bis hin zu Trillionen Jahren liegen. (Halbwertszeit nennt man dann diejenige Zeit, in der die ursprünglich vorhandene Menge zur Hälfte umgewandelt bzw. zerfallen ist. Sie ist für jedes Isotop eine charakteristische Konstante und beträgt z.B. bei 238U 4,4 x 109 Jahre)

Man unterscheidet drei in der Natur vorkommende Zerfallsreihen (Uran-Radium-Reihe, Thorium-Reihe und Uran-Actinium-Reihe sowie eine künstliche; sie alle enden bei Isotopen des Bleis). Zu den radioaktiven Elementen gehören alle solche mit einer Ordnungszahl über 82 (siehe periodisches System der Elemente) sowie einige weitere Elemente, z.B. Kalium (nur das in der Natur vorkommende Isotop 40K).



Mineralogisch relevante Arten ionisierender Strahlung

Die Natur ist immer bestrebt, den energetisch günstigsten Zustand einzunehmen (z.B. Kugelgestalt von Flüssigkeiten ohne das Wirken weiterer Kräfte). Nun sind schwere Atomkerne ab Z > 82 dahingehend nicht mehr in der Lage, durch die wirkenden Kernkräfte den Kern in einem energetisch stabilen Zustand zu halten. Auch bei einem Missverhältnis der Protonen und Neutronen im Kern entstehen energetisch ungünstige Zustände. Daher ist die Natur bestrebt, wieder einen für sie energetisch stabilen Zustand zu erreichen, und das macht sie, indem sie überschüssige Energie abgibt. Im Falle des Atomkerns erfolgt der Energietransfer im Rahmen eines radioaktiven Zerfalls durch verschiedene Arten von Strahlung. Für die Mineralogie sind nur drei davon interessant. Diese wollen wir uns jetzt einmal etwas genauer ansehen.



α-Zerfall

Damit ein Nuklid ein α-Strahler ist, muss die Masse aller Kernbausteine so hoch sein, dass ein energetisch stabiler Kernzustand am schnellsten durch die Abgabe großer Energiepakete erreicht werden kann. Da nach der berühmten Formel E = mc2 Energie und Masse äquivalent sind, hat sich die Natur zur Abgabe großer Energiepakete des α-Zerfalls bedient. Das α-Teilchen besteht aus einem Verbund von zwei Protonen und zwei Neutronen mit kinetischer Energie. Dies bedeutet, dass das α-Teilchen zweifach positiv geladen ist. Dadurch ist es möglich, dass der Energieüberschuss im Atomkern im Bereich mehrerer MeV (Megaelektronenvolt) durch nur einen Zerfall abgebaut wird.

Doch wie entsteht nun das α-Teilchen und wie bekommt es seine kinetische Energie?
Das α-Teilchen ist ursprünglich dem Kernverbund des Mutterkerns zugehörig und hat je nach Lage im Kern zum Kernmittelpunkt einen Betrag an potentieller Energie Epot. Nun soll es aber außerhalb des Kerns an einer Stelle p0 mit einer (im Unendlichen gemessenen) kinetischen Energie Ekin auftauchen, wobei die vorherige Epot nach Epot (r=p0) = Ekin(r = ∞) in Ekin umgewandelt wird. Das stellt in sofern ein Problem dar, da der Kernradius RKern << p0 ist und daher zwischen RKern und p0 ein elektrostatischer Potentialberg mit Epot(r) > Ekin(∞) liegt. Dies macht es dem α-Teilchen zumindest nach der klassischen Physik unmöglich, den Kernverbund zu verlassen.

Da es den α-Zerfall aber tatsächlich gibt, muss es auch eine physikalische Erklärung für sein Zustandekommen geben: Die Quantenmechanik. Mit der in dieser enthaltenen Schrödinger-Gleichung kann nachgewiesen werden, dass die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens auch dort nicht gleich Null ist, wo es nach dem Energieerhaltungssatz der klassischen Physik eigentlich nicht sein dürfte. Diese Entdeckung von George Gamov 1928 wurde als der berühmte „Tunneleffekt“ bekannt, da man sich vorstellte, dass das α-Teilchen durch einen Tunnel im Potentialberg fliegen kann, und sich somit vom Kernverbund lösen kann. Dabei wurde übrigens auch entdeckt, dass die charakteristische α-Energie eines Nuklids mit dessen T1/2(Halbwertszeit) korreliert ist.

Bei einem α-Zerfall sinkt die Kernladungszahl Z um zwei – ein neues Element entsteht.



β-Zerfall

Der β-Zerfall unterteilt sich in zwei (eigentlich drei) Unterarten. Maßgeblich dafür verantwortlich ist eine der vier Kernkräfte, die schwache Wechselwirkung. Die im Kern enthaltenen Baryonen (Neutronen n, Protonen p+) bestehen ihrerseits wieder aus u.a. drei Valenzquarks. Das n beinhaltet zwei down-Quarks und ein up-Quark, das p+ beinhaltet zwei up-Quarks und ein down-Quark.

Der β--Zerfall findet bei Atomkernen statt, welche ein Missverhältnis der Baryonen zu Gunsten der n haben. Hierbei wandelt sich in einem n ein down-Quark in ein up-Quark um und bildet somit ein p+. Da aber aus Gründen der Ladungserhaltung aus dem ladungsneutralen n nicht einfach ein Teilchen mit einer beliebigen Ladung entstehen kann, muss ein zweites Teilchen entstehen, welches die Komplementärladung aufnimmt. Dies ist das energetisch günstige e- mit einer Ruheenergie von mec2 = 511keV. Da die Ruheenergie eines n größer ist als die Ruheenergien von p+ und e- zusammen, ist nach dem Energieerhaltungssatz dieser Zerfall auch für ungebundene Teilchen erlaubt. Das heißt, dass auch ein freies n mit T1/2 = 880s einen β--Zerfall vollzieht. Die Restenergie der Teilchenumwandlung/-bildung wird als Ekin u.a. dem β--Teilchen zugeführt. Allerdings ist in diesem Umfang der Impulserhaltungssatz noch nicht erfüllt. Daher muss bei einem β--Zerfall noch ein drittes Teilchen entstehen, welches fast keine Masse hat, das Antineutrino ve. Dieses nimmt den restlichen Impuls auf. Da die Impulsverteilung und damit die Energieverteilung auf die beiden neu gebildeten Teilchen in Abhängigkeit ihres Entstehungsortes im Kern statt findet, ist diese für das jeweilige Teilchen nicht diskret sondern folgt einer Verteilungsfunktion. Aus diesem Grund ist das β--Teichen nicht für eine spektroskopische Betrachtung geeignet.

Alle natürlichen β-Zerfälle sind β--Zerfälle!

Bei einem β--Zerfall steigt Z um eins, es entsteht ein neues Element.

n → p+ + e- + ve



Der β+-Zerfall ist das Pendant zum β--Zerfall. Dieser findet bei Atomkernen statt, wenn ein Missverhältnis der Baryonen zu Gunsten der p+ vorliegt. Dabei wandelt sich im p+ ein up-Quark in ein down-Quark um und es wird zum n. Um der Ladungserhaltung wieder gerecht zu werden, benötigen wir nun ein Teilchen, welches die positive Ladung des p+ aufnehmen kann. Dazu wird wieder ein energetisch günstiges e+ mit mec2 erzeugt, welches die diesmal positive Ladung aufnimmt. Dieses nennt man Positron und ist das Antiteilchen zum Elektron. Auch hier gilt es, den Impulserhaltungssatz zu erfüllen, so dass auch hier noch ein drittes, fast masseloses Teilchen entsteht, ein Neutrino ve.
Wie wir vorhergehend schon festgestellt haben, beträgt die Summe der Ruheenergien aller einzelnen Teilchen in diesem Prozess aber nicht die notwendige Ruheenergie eines n. Der fehlende Energiebetrag, sowie die Ekin des e+ wird aus der Bindungsenergie des (Rest-)Kerns bezogen. Daraus leitet sich auch ab, dass der β+-Zerfall für ungebundene Teilchen nach dem Energieerhaltungssatz verboten ist. Wäre dem nicht so, würde es keine H-Atome geben, da sonst die p+ jederzeit mit den e- einen β+-Zerfall vollziehen könnten.

Bei einem β+-Zerfall sinkt Z um eins, es entsteht ein neues Element.

p+ → n + e+ + ve



Der in der Mineralogie nicht relevante Elektroneneinfang (EC) soll hier nicht weiter besprochen werden.



γ-Strahlung

Bei der Gammastrahlung handelt es sich nicht wie bei den anderen Zerfallsarten um eine Korpuskelstrahlung, sondern um eine elektromagnetische Welle. Sie ist grundsätzlich immer das „Abfallprodukt“ eines Teilchenzerfalls/Kernumwandlung. Nach einem Teilchenzerfall/Kernumwandlung verbleibt der neue Kern des Tochternuklids oft in einem angeregten Zustand, d.h. er hat immer noch zu viel Energie. Dieser regt sich nun über die Abgabe von γ-Strahlung in den Grundzustand ab. Dabei kann die Abregung auf das Grundniveau in einem Schritt erfolgen, oder über eine Abregungskaskade. Die Wahrscheinlichkeit, welcher Abregungsweg vollzogen wird, wird als Übergangswahrscheinlichkeit bezeichnet. Die jeweils emittierten γ-Photonen sind von ihren Energien charakteristisch für jedes Nuklid. Daher kann mittels spektrometrischer Betrachtung eine qualitative und quantitative Bestimmung von Radionukliden erfolgen.

Durch γ-Strahlung ändert sich die Kernladungszahl Z nicht. Das Element bleibt bestehen.



Soweit zu den mineralogisch relevanten Strahlungsarten. Natürlich kann an dieser Stelle die Thematik nur an der Oberfläche behandelt werden. Für weitere Informationen sei auf den MA-Artikel Einfache Grundlagen der nuklearen Messtechnik verwiesen. Der geneigte Leser findet dort auch weiterführende Literatur zum Thema. Für Fragen und Anregungen kann ich gerne kontaktiert werden.



Uraninit
Uraninit

Uraninit Var. Pechblende in typisch nieriger Ausbildung, Stufenhöhe ca. 10 cm
Fundort: Gang Union/Erna II, -675m Sohle, Schacht 366, Alberoda, Erzgebirge

Schluchti

Radioaktive Minerale

Zu den radioaktiven Mineralien gehören primär alle Uran- und Thoriummineralien.

Die Radioaktivität einer Lagerstätte läßt sich mit einem Geigerzähler ausfindig machen.
Um festzustellen, ob ein Mineral radioaktiv ist, kann man es auch auf eine mit schwarzem Papier lichtdicht verpackte Fotoplatte legen und warten. Nach einiger Zeit zeigt die Platte Schwärzungen. Dies liegt an der Umwandlung/Zersetzung von Silberhalogeniden (meist Silberbromid) auf den Fotoplatten durch die radioaktive Strahlung.

Stark strahlend sind in der Regel Stücke, die Pechblende, ein primär entstandenes Uranerz (Uranoxid UO2 – U3O8), enthalten. Pechblende ist das wichtigste Uranerz und findet sich z.B. in kleinen Lagerstätten in Ostbayern (Nabburg-Wölsendorfer Flussspatrevier, Fichtelgebirge, Mähring), im Schwarzwald (Menzenschwand) oder im größeren Maße im Sachsen und Thüringen (Johann-Georgen-Stadt, Aue, Schlema, Ronneburg usw.).

Das radioaktive Mineral Pechblende (Uraninit bzw. Uranpecherz) stellt zusammen mit seinen Verwitterungsprodukten das Rohmaterial zur Gewinnung von Uran, Radium (von Marie Curie übrigens 1898 zum ersten Mal aus Uran isoliert) sowie der künstlichen Transurane dar. Der Name Pechblende stammt noch aus der Zeit der sächsischen Bergleute des 18.Jh., die das Erz als völlig nutzlos befanden.

1789 entdeckte KLAPROTH darin jedenfalls das Metall Uran; 1896 BEQUEREL dessen Radioaktivität und 1938/39 gelang dann OTTO HAHN die Spaltung des Atomkerns am Uran.

Pechblende (Uraninit) kommt sowohl in Pegmatiten (das sind grobkörnige Tiefengesteine, die aus Restschmelzen im Endstadium der Tiefengesteinskristallisation entstanden sind), in Sedimenten als auch auf hydrothermalen Gängen (hydrothermal = heiße wässrige Lösungen) vor.

Bekannte bzw. berühmte Fundorte sind: Wölsendorf in Bayern, Wittichen/Schwarzwald, Joachimsthal/Böhmen (ist übrigens der klassische Fundort!), sächsisches Erzgebirge (Schlema, Scheeberg, Aue), Schweden, Norwegen, Kanada, USA, Ostafrika, ...

Die Uranminerale bezeichnet man als Gruppe von Mineralen, die 4- oder 6-wertiges Uran neben Sauerstoffanteilen enthalten. Zu den bekanntesten Mineralien dieser Gruppe gehören unter anderem die Sekundärminerale Torbernit, Autunit, Zeunerit, Uranocircit, Carnotit, Parsonsit, das Calcium-Uran-[Hydroxyl/Silikat] Uranophan und das Primärmineral Uraninit, wie oben beschrieben. Sie sind z.T. giftig, mehr oder weniger stark radioaktiv und bilden Lagerstätten, in denen durch chemische Lösungen das Uran angereichert wurde.

Eine Liste der natürlich radioaktiven Uran-Mineralien finden Sie unter Uran



Autunit
Autunit

Kristallgröße: 2,5 mm, Fundort: Foote Mine, Kings Mountain District, Cleveland Co., North Carolina, USA

Jason B. Smith
Torbernit
Torbernit

Bildbreite: 2 mm; Fundort: Pinhal do Souto Mine, Tragos, Chãs de Tavares, Mangualde, Viseu, Distrikt, Portugal

Jean-Marc Johannet

Sachgemäße Aufbewahrung

Die sekundären Uranmineralien zeichnen sich insbesondere -durch die Bank weg- durch lebhafte und leuchtende Farben aus. Daher sind sie auch bei Mineraliensammlern, beliebte Sammlungsobjekte!

Von der Strahlungsintensität zu unterscheiden ist die Kontaminationsfähigkeit. Sie beruht vor allem darauf, ob ein Mineral porös und bröckelig ist oder sich leicht abreiben lässt. Bei Kontaminationen mit dem Staub oder dem Abrieb radioaktiver Minerale kann es zu einer Inkorporation kommen, die in der Regel viel gefährlicher ist als das kurzzeitige Ausgesetztseit einer starken Strahlung. Vor allem die Einlagerung in die Lunge und die wohl durch die Alphastrahlung verursachte Schädigung des empfindlichen Lungengewebes kann im schlimmsten Fall zum Lungenkrebs führen. Stark kontaminierend sind vor allem die sogenannten Uranglimmer, das sind Mineralien, die aufgrund ihrer vollkommenen Spaltbarkeit krümelig und bröselig sind.
Sie sondern durch Anfassen kleine Partikel ab, die an den Händen haften bleiben und von dort aus in den Körper gelangen können. Deshalb ist der sorglose Umgang mit stark kontaminierenden Mineralien zu vermeiden, sie sind staubdicht aufzubewahren und nach jeder Handhabung sollte man sich gründlich die Hände waschen. Es verbietet sich von selbst, beim Hantieren mit stark kontaminierenden Stoffen zu essen, zu trinken oder zu rauchen. Auch das Zerkleinern, das Anschleifen und Anpolieren, alles, was Staub verursacht, sollte unterbleiben bzw. nur im freien Gelände und bei entsprechendem Atemschutz erfolgen.

Um auch das evtl. Restrisiko einer radioaktiven Kontamination bzw. einer Gesundheitsbeeinträchtigung (z.B. Lungenschaden) durch kleinere Substanzmengen/Mineralproben zu vermeiden, reicht meist durchaus ein Verschluß in Kunststoffkästchen aus; besonders vorsichtige Zeitgenossen denken vielleicht auch an eine Abschirmung durch Blei! Besonders bei größeren Sammlungsstücken bzw. großen Substanzmengen ist dies zu empfehlen.


Das Radon

In den bei Uranmineralen relevanten Zerfallsreihen kommt stets das radioaktive Edelgas Radon (abhängig von der Zerfallsreihe in den Isotopen 218Rn, 219Rn sowie 222Rn) vor. Als Gas kann Radon das Kristallgitter verlassen und sich in der Raumluft anreichern. Nach kurzer Zeit zerfällt es wieder in feste radioaktive Isotope. Eine Inhalation muss unbedingt vermieden werden! Somit ist vor dem Fotografieren und anderem Hantieren mit radioaktiven Stufen eine Entlüftung der optimalerweise abgeklebten Behältnisse im Freien anzuraten.



Vorsichtsmaßnahmen

  1. Möglichst kleine Stücke verwenden. Stücke in staubsicheren, dicht schließenden Behältnissen aufbewahren und nur bei Bedarf entnehmen.
  2. Abstand halten und sich in der Nähe der Proben nur kurz aufhalten.
  3. Immer mit Strahlungsmessgeräten die Dosisleistung kontrollieren.
  4. Stark radioaktive Stufen nicht in Wohnräumen bzw. Klassenzimmern lagern oder ausstellen. Räume, in denen sich stark radon-exhalierende Proben befinden, gut und häufig lüften.
  5. Beim Hantieren mit radioaktiven Stufen nicht essen, trinken oder rauchen.
  6. Radioaktive Stücke nicht zerkleinern oder anschleifen.
  7. Nach dem Hantieren mit radioaktiven Stücken stets die Hände gut waschen.
  8. Kinder sollten generell keinen Zugang zu radioaktiven Mineralien haben.



Die Regel der 5 A’s für den Strahlenschutz

  1. Aktivität verringern, d.h. mit möglichst schwachen Quellen arbeiten.
  2. Abstand erhöhen.
  3. Aufenthaltszeit verringern.
  4. Abschirmung verstärken.
  5. Aufnahme vermeiden, d.h. Inkorporation und Inhalation von Radionukliden.



Wenn doch mal was passiert

Die wichtigste Regel lautet immer die Ruhe zu bewahren. In den meisten Fällen gibt es keinen Grund für übermäßige Sorge oder hektischen Aktionismus.

Wurden z.B. radioaktive Partikel von Gesteinsbrocken entfernt und am Tisch verteilt sollten ein paar einfache Vorgehensweisen das Problem lösen. Die Reihenfolge und Häufigkeit der einzelnen Aktionen immer im Blick auf die veringerte Verteilung von Partikeln optimieren.

  • Aufwirbeln von Staub vermeiden
  • Verteilte Partikel mit einem stark angefeuteten Tuch aufnehmen und danach mit Tuch entsorgen. Bei vielen Uranglimmern kann eine UV-Lampe helfen die Partikel zu finden.
  • Zuglüften um etwaige Partikel in der Luft nach draußen zu befördern.
  • Staubsauger mit Feinstaubfilter (z.B. Hepa) nur nach der Feuchtreinigung einsetzen und die Abluft möglichst nach draußen blasen lassen. Filter und Beutel danach wechseln.
  • Gründliches Händewaschen, am besten auch Duschen.
  • Kleidung wechseln und Waschen
  • Da die Schleimhäute des Nasen- und Rachenraumes einen Großteil des Staubes abfangen werden, empfiehlt es sich zu gurgeln und die Nase vorsichtig zu spülen (bei letzterer zuerst den unteren Bereich, dann auch weiter oben)
  • Viel Trinken (die Lunge produziert jeden Tag bis zu 60ml Schleim, der den Abtransport von Fremdkörpern wie Staub ermöglicht. Dieser Schleim geht dann über den Verdauungstrakt wieder zurück zur Natur)
  • Wer seinem Darm dann noch beim Abtransport helfen will, der sollte ballaststoffreiche Kost zu sich nehmen. Auch eine vitaminreiche Ernährung kann helfen, dem Immensestem bei der Bewältigung der bevorstehenden Arbeit zu unterstützen).
  • Der Gang zu einem Spezialisten kann helfen, um weitere Sicherheit zu gewinnen.

Ein Restrisiko kann kein Arzt ausschließen, die Wahrscheinlichkeit einen Schaden erlitten zu haben ist aber sehr gering.



Quellangaben

  • Beitrag: Mineralogisch relevante Arten ionisierender Strahlung - etalon



Mineralienatlas Verweise



Weblinks

Michael Beleites

Rudolph Geipel

  • Uranvererzungen in Aufschlüssen des Nabburger Flussspatreviers http://www.solstice.de/cms/upload/Vortrag/geipel/fuehr99.pdf (Link vom 11.01.2015)
  • Radioaktivität in Geschichte, Natur und Technik http://www.strahlenschutzkurse.de/fileadmin/strahlenschutzkurse/dokumente/lehrer/vobezube.pdf (Link vom 11.01.2015)




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