Logo Universiteit Utrecht

Ioniserende Stralen Practicum

10. Herstel van protactinium-234

Inleiding

Het vervalproduct van sommige radioactieve nucliden is zelf ook weer radioactief. Dit verschijnsel wordt gebruikt in de protactinium-generator met thorium-234.
Van de instabiele thoriumkernen vervalt 100% rechtstreeks tot het protactinium-234m. De letter ‘m’ geeft aan dat het hier om een isomere toestand van de protactiniumkern gaat. Dat is een toestand waarin de kern aangeslagen is: de kern bezit meer energie dan in de normale grondtoestand het geval is. Normaalgesproken raakt een kern deze energie in een tweede vervalstap kwijt door het uitzenden van γ -straling (een γ -foton). Echter 99,9% van het gevormde protactinium-234m vervalt direct tot het instabiele uranium-234. Het complete vervalschema zie je hiernaast.

De halveringstijd van thorium-234 is 24 dagen. Die van uranium-238 is echter 4,5∙109 jaar. Doordat de halveringstijd van de ‘moeder’ veel langer is dan die van de ‘dochter’, is tijdens het uitvoeren van het experiment de hoeveelheid thorium-234 (vrijwel) constant. Het genoemde verschil in halveringstijden tussen de ‘moeder’ (lang) en de ‘dochter’ (kort) levert dan onder normale omstandigheden een evenwicht op. Er worden per seconde o.a. evenveel atomen protactinium-234m gevormd (uit thorium-234) als er vervallen (naar uranium-234). De generator zendt dan vrijwel constante hoeveelheden α-, β- en γ-straling uit.
In de generator bevinden zich twee vloeistoffen met verschillende dichtheid: bovenin een organische vloeistof (amylacetaat) en onderin een zoutzuuroplossing met uranium-238 en zijn vervalproducten. Eén van die vervalproducten is het protactinium-234m. Door de generator te schudden komt het protactinium bovenin de generator terecht, terwijl het uranium en alle andere vervalproducten onderin blijven zitten. Dit komt door een verschil in oplosbaarheid: protactinium lost beter op in amylacetaat (de bovenste vloeistof) in vergelijking met uranium en de andere vervalproducten.
Door het wegnemen van het protactinium-234m is de activiteit van de generator afgenomen. Uit het verval van thorium-234 ontstaat in de generator weer nieuw protactinium-234m, dat ook weer straling gaat uitzenden samen met de andere atomen die ook weer in de generator ontstaan. De generator herstelt zich en maakt weer atomen aan tot het oude evenwicht bereikt is. Door te schudden is dus het protactinium te verwijderen en de hersteltijd van de generator te meten.

Halveringstijd havo: moeilijk vwo: gemiddeld Mobiel en UU

Doel

Bepalen van de hersteltijd van de generator uit het toenemen van de activiteit tijdens de herstelperiode.

Opstelling

De opstelling bestaat uit een Geiger-Müller telbuis met pulsenteller en een generator met uranium-238.

Toepassingen

Voor wetenschappelijk en medisch onderzoek bij planten, mensen en andere dieren gebruikt men liefst radioactieve nucliden met een korte halveringstijd. Door deze korte halveringstijd is de activiteit van deze nucliden relatief hoog. Het onderzoek is dan uit te voeren met een vrij kleine hoeveelheid radioactief materiaal. Daardoor blijft de stralingsbelasting van het organisme laag. Dit soort radioactieve nucliden zijn echter – vanwege het snelle verval – moeilijk verkrijgbaar. De generator of ‘radioactieve koe’ biedt dan een oplossing. Deze ‘koe’ is op elk gewenst moment kort voor de uitvoering van het onderzoek te melken en levert dan het radioactieve nuclide met de gewenste eigenschappen.
Het uranium-238 in de generator bij dit experiment heeft een halveringstijd van 4,5∙109 jaar. Deze generator is dus een heel lange tijd bruikbaar als bron van het kortlevende protactinium-234m. Op eenzelfde manier is bijvoorbeeld het langlevende molybdeen-99 bruikbaar als bron van de kortlevende γ -straler technetium-99m. Dit soort γ -straling uitzendende nucliden met een korte halveringstijd zijn in gebruik als tracer (spoorzoeker) bij onderzoek naar bijvoorbeeld hartafwijkingen (thallium-201), hersentumoren (technetium-99m) en schildklieraandoeningen (jood-123).

Meer informatie

moeder-dochter verval en een computermodel daarover