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Protokoll
Isotopenverdünnungsanalyse
(IVA)
1. Zielstellung:
Bestimmen Sie den Uraniumgehalt einer Lösung mittels alphaspektrometrischer
Isotopenverdünnungsanalyse. Benutzen Sie den einfachen Modellversuch zum Kennenlernen
dieser wichtigen Analysemethode.
2. Grundlagen:
Die Isotopenverdünnungsanalyse wird in der Analytik angewendet, wenn eine quantitative
Abtrennung des interessierenden Elements oder der interessierenden Verbindung nicht
möglich ist. Bei der Isotopenverdünnungsanalyse muss die Abtrennung zwar mit größter
radiochemischer Reinheit, aber nicht quantitativ erfolgen.
Einer definierten Menge der Probe (P), die den Analyten in bekannter
Isotopenzusammensetzung enthält, wird eine definierte Menge eines sogenannten "Spikes"
(S) mit abweichender, bekannter Isotopenzusammensetzung und Konzentration zugegeben.
Es folgt die saubere Abtrennung eines Teils des Gemisches (M) durch Überführung in eine
andere Phase (elektrolytische Abscheidung, Fällung, Extraktion, Ionenaustausch). Die
Bestimmung der Isotopenzusammensetzung der Mischung gestattet es, die Konzentration des
Analyten in der Probe zu bestimmen.
Zur Uraniumbestimmung wenden Sie die alphaspektrometrische Isotopenverdünnung an. Die
Konzentration nP eines Isotopes (238U) in der Probelösung P berechnet sich nach:
m
R
R
S
n
n
M S
P
S
m
R
P 
 M
1
 R
P
nP ...
nS...
m ...
R ...
P ...
S ...
M ...
I
Isotop (238U) der Probe P in Atome pro Gramm Lösung
Spike in Atome (233U) pro Gramm Lösung
Masse der Lösung in Gramm
Isotopenverhältnis 238U/233U
Probe
Spike
Mischung aus Probe und Spike
Da die Isotopenzusammensetzung der Uraniumprobe bekannt ist, kann auf die Gesamtmenge
an Uranium in der Probelösung geschlossen werden.
1
3. Durchführung:
-
Die mit dem Austauscherharz Dowex 1x8 AG befüllte Säule wird mit 2 ml 10 M
HCl gespült, um sie zu aktivieren.
-
Ca. 0,5 ml einer mit 137Cs verunreinigten uranylnitrathaltigen Probelösung
werden in ein Plastikfläschchen eingewogen. Ca. 0,5 ml der Spikelösung werden
dazugewogen. Homogenisieren!
-
Abnahme von 100l, wägen und auf ca. 1ml verdünnen, diese Probe wird mittels
Gammaspektrometrie vermessen und der Gehalt an 137Cs bestimmt.
-
Die restliche Lösung wird in einem Rollrandglas bis zur Trockene eingedampft.
-
Der Rückstand wird 2x mit je 100l 10 M HCl aufgenommen.
-
Die Lösung wird auf die Säule aufgetragen und anschließend das Caesium mit
3x 1 ml 10 M HCl von der Säule gewaschen.
-
Nun wird das Uranium mit 5 ml 0,1 M HCl eluiert. Nach einem Vorlauf von ca.
1ml werden 2 ml Eluat aufgefangen.
-
1 ml des Eluats wird für die Gammaspektrometrie abgenommen.
-
Die Elektrolysezelle wird vorbereitet und 5 ml Ammoniumsulfatlösung
vorgelegt. Dazu wird 1 ml des Eluats gegeben und auf pH 2-5 gebracht. Danach
werden für 40 Minuten 10V Spannung und 0,2 A Stromstärke angelegt.
-
Um ein Auflösen des abgeschieden Uraniums zu verhindern, wird vor dem
Abschalten des Stroms 1ml Ammoniak-Lösung zugetropft.
-
Nach Abbau der Zelle wird das Uraniumpräparat noch einmal mit destilliertem
Wasser und Aceton gewaschen und an der Luft getrocknet, von diesem Präparat
wird nun alphaspektrometrisch die Aktivität des Uranium bestimmt
4. Berechnung:
Massen der jeweiligen Proben:
Masse der Probe:
Masse der Probe mit Spike:
Masse des Spikes:
Masse der Probe für -Spektrometrie:
Masse der Probe für -Spektrometrie mit Verdünnung:
Masse des Eluats (2ml):
Masse des Eluats für -Spektrometrie (1ml):
Masse des Eluats für -Spektrometrie:
mP
mPS
mS
mP
mPmV
mE
mE
mE
=
=
=
=
=
=
=
=
0,456 g
0,860 g
0,404 g
0,101 g *
1,177 g *
2,386 g
1,463 g
0,923 g
(* = vorgeg. Wert)
2
Gammaspektrometrie:
1. Messung (Probe):
Messzeit:
Peakfläche (Impulsrate IP):
Peakenergie:
10 min = 600 s
17156,22
657,7 keV (137Cs)
2. Messung (Eluat):
Messzeit:
Peakfläche (Impulsrate IE):
Peakenergie:
60 min = 3600 s
631,59
662,4 keV (137Cs)
Die Impulsrate aus der zweiten Messung muss noch auf die
Messzeit der ersten Messung korrigiert werden:
6
3
1
,
5
9

6
0
0
s
I


1
0
5
,
2
7
E
3
6
0
0
s
Da Detektor und Säule gut gearbeitet hatten, haben wir keinen
genauen Wert erhalten, und somit wurde uns ein Wert zur
Berechnung vorgegeben.
Alphaspektrometrie:
Messzeit:
Peakfläche (Aktivität 238U):
Peakenergie (238U):
Peakfläche (Aktivität 234/233U):
Peakenergie (234/233U):
1800s
19
4185,1 keV
28
4650,46 keV
Dekontaminationsfaktor der Säule:
m m
I m
D
F P P P  E
IE m
m
P

E
1
7
1
5
6
,2
20
,8
6
0
g
0
,1
0
1
g1
,4
6
3
g
D
F


1
0
5
,2
7
0
,1
0
1
g
2
,3
8
6
g
D
F
7
5
1
Zerfallskonstanten: Halbwertszeiten siehe Versuchsanleitung
3

ln 2
t1 2
(238U)1,5511
 010
(234U)2,8231
 06
(233U)4,3541
 06
Isotopenzusammensetzung:
U  99,274%
238
U  0,7202%
235
U  0,0055%
234
U  0,00126%
233
Aktivitätsverhältnisse:
2
3
8
A
(
U
)
´

5
A


1
,
0
4
9

1
0
S
p
i
k
e
2
3
3
A
(U
)
9
t1/2(238U
)
,4
6
8
1
0
´

5 4
R

A


1
,
0
4
9

1
0


0
,2
9
4
5
S
p
ik
e
S
p
ik
e
5
t1/2(233U
)
1
,5
9
2
1
0
Is
o
to
p
e
n
a
n
te
il(238U
) 9
9
,2
7
4
%
4
R



7
,8
7
8
9
1
0
P
ro
b
e
2
3
3
Is
o
to
p
e
n
a
n
te
il( U
) 0
,0
0
1
2
6
%


1
0

(238UI
) s
o
to
p
e
n
a
n
te
il(238U
) 1
,5
5
1
1
0
9
9
,2
7
4
%
 234


0
,9
9
1
7
2
3
4

6

( UI
) s
o
to
p
e
n
a
n
te
il( U
) 2
,8
2
3
1
0 0
,0
0
5
5
%
´
P
ro
b
e
A
-Spektrometrie:
2
3
8
I
(
U
)1

9
I
m
p
u
l
s
e
2
3
3
2
3
4
I
(
UU

)

2
8
I
m
p
u
l
s
e
Die zu detektierenden Peaks der Uraniumisotope 234U & 233U sind im -Spektrum
überlagert. Eine Korrektur der Impulsrate von 233U erfolgt mathematisch, mit Hilfe des
zuvor bestimmten Aktivitätsverhältnisses:
4
´
P
robe
A
I(238U
)
 234 0,9917
I( U
)
I(238U
) 19 Im
pulse

I(234U
)

19,2 Im
pulse
0,9917
0,9917

I(233U
)I(233U234U
)I(234U
)(2819) Im
pulse8,8 Im
pulse
I(238U
) (233U
) 19,2Im
pulse 4,3541
 06
R




61248
M
ischung
I(233U
) (238U
) 8,8 Im
pulse 1
,5511
 010
Verwendung der Gleichung I (siehe Grundlagen)
m R R
nP nS S  M S
R
m
P (
1 M)
R
P
0,404g 612480,2945
nProbe 2,1711
 015A
tom
e(233U)/gLösung

0,456g (1 61248 )
7,87891
 04
nProbe 5,2911
 020A
tom
e238U/gLösung
nProbeM
(238U) 5,0521
 020A
tom
e238U/gLösung238,050784g/m
ol
Probe 

23
238
NA
6,0221
0A
tom
e Um
/ ol
Probe 0,19971g(238U)/gLösung
3
n

1
0
P
r
o
b
e
c


0
,
8
7
9
m
o
l
/
l
P
r
o
b
e
N
A
Der Gesamt-Uraniumgehalt der Probelösung setzt sich anteilmäßig aus den vier genannten
Isotopen zusammen:
3
8
c
(2
U
)
0
,8
7
3
m
o
l/l
2
3
5
c
(U
)
0
,0
0
6
3
m
o
ll
/
2
3
4

5
c
(U
)

4
,8
3

1
0m
o
ll
/
2
3
3

5
c
(U
)
1
,
1
1

1
0m
o
ll
/
5
5. Fehlerdiskussion:
Das erhaltene Ergebnis von rund 200g/l Uranium ist sehr unwahrscheinlich. Mögliche
Ursachen hierfür:
Am Anfang des Versuchs wurden mit unbestimmter Sicherheit 2 Proben vertauscht, dieser
gravierende Fehler zieht sich durch die ganze Rechnung und verfälscht somit auch das
Ergebnis.
Verunreinigungen fallen schon auf Grund des Strahlenschutzes nicht ins gewicht, weiterhin
wurde für jede Abmessung eine neue Pipette benutzt.
Generell bei Aktivitätsmessungen auftretende zufällige Fehler welche aus der Natur des
Kernzerfalls als statistischer Prozess resultieren, dürften angesichts der langen Messzeiten
recht klein sein.
Bei der Gammaspektrometrie wurde ohne jegliche Abschirmung gearbeitet, dies führt zu
einem kontinuierlichen Mitmessen der Umweltstrahlung, dem sogenannten Rauschen.
6