Radiohalo mit eingezeichneten alpha-Energien der U238-Reihe (Dünnschliff einer Fluorit-Probe vom Johannesschacht / Wölsendorf)
Durch Vermessung und statistischer
Auswertung einer größeren
Anzahl konnten die Wölsendorfer Radiohalos zweifelsfrei der
U-238-Reihe zugeordnet werden. Dazu wurden die gemessenen Werte mit den
theoretisch berechneten Werten verglichen. Bekanntlicherweise
zerfällt Uran-238
238 U(a) > 234 Th (b) > 234 Pa (b) > 234 U(a) > 230 Th (a) > 226 Ra (a) > 222 Rn (a) > 218Po (a) > 214 Pb (b) > 214 Bi (b) 214 Po (a) > 210 Pb (b) > 210 Bi (b) > 210 Po (a) > 206 Pb (stabil)
über Alpha- (a) und Beta- (b) Zerfall über mehrere Schritte zum stabilen Blei-206. Die beim Alpha-Zerfall freiwerdende Strahlung hat für jedes Isotop eine typische Energie in der Größenordnung von einigen (wenigen) MeV. Die Energie ist um so kleiner je größer die Halbwertszeit des Isotops ist (Geiger-Nutall-Regel) und recht genau bekannt (siehe: NUDAT Datenbank Version 2.4 (http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/ ). Berücksichtigt man in der U-238-Reihe noch die Zerfallswahrscheinlichkeiten (die ja unterschiedliche Alpha-Energien haben) der Istotope mit über 1% Übergangswahrscheinlichkeit so erhalten wir aus den 8 (Alpha-zerfallenden) Isotopen 12 unterschiedliche Energien für die in der U-238-Reihe freiwerdende Alpha-Strahlung. Die Reichweite der Alpha-Strahlung hängt von ihrer Energie und der durchlaufenden Materie ab. Während in Luft Stecken im Bereich mehrerer Zentimeter erreicht werden liegt im viel dichteren Fluorit die maximal zurückgelegte Wegstrecke bei etwa einem Zweitausenstel. Näherungsweise kann z.B. über das ASTAR-Programm (http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ASTAR.html) die Reichweite dieser Alpha-Strahlung in Fluorit berechnet werden. Die erhaltenen Werte decken sich recht gut mit den beobachteten Ring-Radien. Alleine die Reichweite erklärt aber nicht, warum wir Ringe sehen. Für die Färbung von Fluorit in den Ringen sind F-Zentren (Farbzentren) verantwortlich, also Anionenfehlstellen mit eingefangenen Elektronen (diese F-Zentren sind ggf. zu Ca-Kolloiden koaguliert). Die Produktion von Fehlstellen im Fluorit ist auf der zurückgelegten Bahn eines Alpha-Teilchchens nicht konstant. Im Schnitt erzeugt ein Alpha-Teilchen ca. 160 Störstellen, die Mehrzahl davon im Bereich kurz vor der maximalen Reichweite. Mittels geeigneter Simulation (Monte-Carlo-Simulation, z.B. mit SRIM-Programm http://www.srim.org) kann die Fehlstellen-Produktion eines Alpha-Teilchens über die Wegstrecke ermittelt werden:
Ein deutlicher Peak gegen Ende der Reichweite zeigt, dass hier sehr viel mehr Fehlstellen produziert werden als zu Beginn. Summiert man diese Fehlstellen-Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen (12 Energien der 8 Alpha-Isotope der U-238-Reihe) auf, erhält man ein Diagramm das 5 Peaks (einen Doppelpeak) enthält. Das liegt daran, dass einige Energien so dicht beisammen liegen, dass sich die Spitzen überlagern.
Diese Fehlstellen-Verteilung ist für die fünf (sechs) beobachtbaren Ringe verantwortlich. Warum ist aber der Kern oft dunkel gefärbt? Bekanntlich nimmt die Intensität um ein punktförmige Strahlungsquelle quadratisch zum Abstand ab (Abstandsgesetz, im Diagramm oben nicht berücksichtigt). Dieser Umstand lässt den Halo-Kern dunkel erscheinen.
Andererseits muss es wenigstens einen gegenläufigen Effekt geben der zum Ausbleichen führt, es finden sich nämlich auch komplett entfärbte Höfe sowie helle Bereiche zwischen oder anstelle der Ringe. Es ist zu vermuten dass dies durch die ionisierende Wirkung der Alpha-Strahlung bedingt ist. Durchquert das alpha-Teilchen das Kristallgitter ionisiert und erhitzt es das Gitter wobei auch diese Funktion unstetig ist (Im Diagramm oben graublau). Da schon die Färbung verschiedenen Wegen (+/- assoziierte F1 bis Fn Zentren, ggf. kolloidales Ca) gefolgt sein kann ist die Entfärbung bzw. Entfärbungsmöglichkeit unberechnebar. Das Wechselspiel von Färbung durch F-Zentren und Entfärbung durch Ionisierung zeichnet im Zusammenwirken die Halos im Wölsendorfer Fluorit.
Literatur:
RAMDOHR, P., "Neue Beobachtungen über radioaktive Höfe und über radioaktive Sprengungen", Abh. d. deutschen Akadem. d. W., Jahrgang 1957, Nr. 2, Akademie-Verlag Berlin, 17 S., 1958
RAMDOHR, P., "Weitere Utersuchungen über radioaktive Höfe und andere radioaktive Einwirkungen auf natürliche Mineralien", Abh. d. deutschen Akadem. d. W., Jahrgang 1958, Nr. 4, Akademie-Verlag Berlin, 24 S., 1958
SCHILLING, A., "Die radioaktiven Höfe im Flußspat von Wölsendorf", N. Jb. Mineral. usw. 53, Beil.-Bd., Abt. A. S. 241-265, Stuttgart 1926
STEINMETZ, H. & BRÜLL, E., "Beiträge zur Kenntnis der Farbverteilung in Fluoritkristallen", Heidelb. Beitr. z. Mineral. u. Petr., 4, Heidelberg 1954
STEINMETZ, H. & BRÜLL, E., "Radioaktive Höfe mit vierzähliger Symmetrie im Fluorit von Wölsendorf", Heidelb. Beitr. z. Mineral. u. Petr., 4, Heidelberg 1954 S. 255-268
STRUNZ, H., "Die Uranfunde in Bayern von 1804 bis 1962", Acta Albertina Ratisbonensia, 22, Regensburg 1962
ZIEHR, H., "Das Nabburg-Wölsendorfer Flußspatrevier", in Der Aufschluß Sonderband 6, Heidelberg 1957, S. 55-69
ZIEHR, H., "Das Wölsendorfer Fluorit-Revier", in "Zur Mineralogie und Geologie der Oberpfalz", Der Aufschluss Sonderband 26, Heidelberg 1975, S. 207-242
(Weitere Arbeiten siehe Literaturteil)
238 U(a) > 234 Th (b) > 234 Pa (b) > 234 U(a) > 230 Th (a) > 226 Ra (a) > 222 Rn (a) > 218Po (a) > 214 Pb (b) > 214 Bi (b) 214 Po (a) > 210 Pb (b) > 210 Bi (b) > 210 Po (a) > 206 Pb (stabil)
über Alpha- (a) und Beta- (b) Zerfall über mehrere Schritte zum stabilen Blei-206. Die beim Alpha-Zerfall freiwerdende Strahlung hat für jedes Isotop eine typische Energie in der Größenordnung von einigen (wenigen) MeV. Die Energie ist um so kleiner je größer die Halbwertszeit des Isotops ist (Geiger-Nutall-Regel) und recht genau bekannt (siehe: NUDAT Datenbank Version 2.4 (http://www.nndc.bnl.gov/nudat2/ ). Berücksichtigt man in der U-238-Reihe noch die Zerfallswahrscheinlichkeiten (die ja unterschiedliche Alpha-Energien haben) der Istotope mit über 1% Übergangswahrscheinlichkeit so erhalten wir aus den 8 (Alpha-zerfallenden) Isotopen 12 unterschiedliche Energien für die in der U-238-Reihe freiwerdende Alpha-Strahlung. Die Reichweite der Alpha-Strahlung hängt von ihrer Energie und der durchlaufenden Materie ab. Während in Luft Stecken im Bereich mehrerer Zentimeter erreicht werden liegt im viel dichteren Fluorit die maximal zurückgelegte Wegstrecke bei etwa einem Zweitausenstel. Näherungsweise kann z.B. über das ASTAR-Programm (http://www.physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/ASTAR.html) die Reichweite dieser Alpha-Strahlung in Fluorit berechnet werden. Die erhaltenen Werte decken sich recht gut mit den beobachteten Ring-Radien. Alleine die Reichweite erklärt aber nicht, warum wir Ringe sehen. Für die Färbung von Fluorit in den Ringen sind F-Zentren (Farbzentren) verantwortlich, also Anionenfehlstellen mit eingefangenen Elektronen (diese F-Zentren sind ggf. zu Ca-Kolloiden koaguliert). Die Produktion von Fehlstellen im Fluorit ist auf der zurückgelegten Bahn eines Alpha-Teilchchens nicht konstant. Im Schnitt erzeugt ein Alpha-Teilchen ca. 160 Störstellen, die Mehrzahl davon im Bereich kurz vor der maximalen Reichweite. Mittels geeigneter Simulation (Monte-Carlo-Simulation, z.B. mit SRIM-Programm http://www.srim.org) kann die Fehlstellen-Produktion eines Alpha-Teilchens über die Wegstrecke ermittelt werden:
Für U-238
(4,198MeV) Alpha-Zerfall entstehen im Abstand von 13 bis 14 µm
vom Kern im Fluorit die meisten Fehlstellen (SRIM 2008-03).
Ein deutlicher Peak gegen Ende der Reichweite zeigt, dass hier sehr viel mehr Fehlstellen produziert werden als zu Beginn. Summiert man diese Fehlstellen-Wahrscheinlichkeiten für die einzelnen (12 Energien der 8 Alpha-Isotope der U-238-Reihe) auf, erhält man ein Diagramm das 5 Peaks (einen Doppelpeak) enthält. Das liegt daran, dass einige Energien so dicht beisammen liegen, dass sich die Spitzen überlagern.
Die Grafik zeigt
die Wahrscheinlichkeit für Fehlstellen und Ionisierung für
das
U-238-Alpha-Spektrum in Abhängigkeit von der Eindringtiefe, der
Peak ganz rechts zeichnet den Po-214 Ring mit etwa 34um Radius.
Diese Fehlstellen-Verteilung ist für die fünf (sechs) beobachtbaren Ringe verantwortlich. Warum ist aber der Kern oft dunkel gefärbt? Bekanntlich nimmt die Intensität um ein punktförmige Strahlungsquelle quadratisch zum Abstand ab (Abstandsgesetz, im Diagramm oben nicht berücksichtigt). Dieser Umstand lässt den Halo-Kern dunkel erscheinen.
Andererseits muss es wenigstens einen gegenläufigen Effekt geben der zum Ausbleichen führt, es finden sich nämlich auch komplett entfärbte Höfe sowie helle Bereiche zwischen oder anstelle der Ringe. Es ist zu vermuten dass dies durch die ionisierende Wirkung der Alpha-Strahlung bedingt ist. Durchquert das alpha-Teilchen das Kristallgitter ionisiert und erhitzt es das Gitter wobei auch diese Funktion unstetig ist (Im Diagramm oben graublau). Da schon die Färbung verschiedenen Wegen (+/- assoziierte F1 bis Fn Zentren, ggf. kolloidales Ca) gefolgt sein kann ist die Entfärbung bzw. Entfärbungsmöglichkeit unberechnebar. Das Wechselspiel von Färbung durch F-Zentren und Entfärbung durch Ionisierung zeichnet im Zusammenwirken die Halos im Wölsendorfer Fluorit.
Literatur:
RAMDOHR, P., "Neue Beobachtungen über radioaktive Höfe und über radioaktive Sprengungen", Abh. d. deutschen Akadem. d. W., Jahrgang 1957, Nr. 2, Akademie-Verlag Berlin, 17 S., 1958
RAMDOHR, P., "Weitere Utersuchungen über radioaktive Höfe und andere radioaktive Einwirkungen auf natürliche Mineralien", Abh. d. deutschen Akadem. d. W., Jahrgang 1958, Nr. 4, Akademie-Verlag Berlin, 24 S., 1958
SCHILLING, A., "Die radioaktiven Höfe im Flußspat von Wölsendorf", N. Jb. Mineral. usw. 53, Beil.-Bd., Abt. A. S. 241-265, Stuttgart 1926
STEINMETZ, H. & BRÜLL, E., "Beiträge zur Kenntnis der Farbverteilung in Fluoritkristallen", Heidelb. Beitr. z. Mineral. u. Petr., 4, Heidelberg 1954
STEINMETZ, H. & BRÜLL, E., "Radioaktive Höfe mit vierzähliger Symmetrie im Fluorit von Wölsendorf", Heidelb. Beitr. z. Mineral. u. Petr., 4, Heidelberg 1954 S. 255-268
STRUNZ, H., "Die Uranfunde in Bayern von 1804 bis 1962", Acta Albertina Ratisbonensia, 22, Regensburg 1962
ZIEHR, H., "Das Nabburg-Wölsendorfer Flußspatrevier", in Der Aufschluß Sonderband 6, Heidelberg 1957, S. 55-69
ZIEHR, H., "Das Wölsendorfer Fluorit-Revier", in "Zur Mineralogie und Geologie der Oberpfalz", Der Aufschluss Sonderband 26, Heidelberg 1975, S. 207-242
(Weitere Arbeiten siehe Literaturteil)