Altersmessung durch Uranzerfall

Mindestens 12,5 Milliarden Jahre soll das Universum alt sein - dies haben Astronomen nun durch die Altersbestimmung eines der ältesten Sterne der Galaxie errechnet.

Die Forscher bedienten sich für diese Alterseinschätzung einer neuen radiometrischen Messmethode, die in Zukunft auch Aufschluss über die Entstehung des Universums geben könnte.

Wie die Ausgabe von Nature (Bd. 409, Seite 691) berichtet, maßen Roger Cayrel vom Sternenoberservatorium Paris-Meudon und sein Team die Mengen und den Zerfall der radioaktiven Elemente Thorium und Uran bei einem der ältesten Sterne der Galaxie mittels Spektralanalyse. Der Stern hört auf den klingenden Namen "CS31082-001".

Uran

Uran ist ein radioaktives, verformbares, silbriges Metall. In Gegenwart von Luft reagiert unter Bildung einer dünnen Oxidschicht. In feiner Pulverform verbrennt es ab 170 Grad, in kompakter erst bei 700 Grad. Alle Isotope des Urans sind instabil und radioaktiv. Natürlich vorkommendes Uran ist ein Isotopen-Gemisch aus 99,275 Prozent U-238, 0,720 Prozent U-235 und 0,005 Prozent U-234. U-238 ist mit einer Halbwertszeit von 4,47 Milliarden Jahren extrem langlebig.

Eigenschaften im Überblick

Namensbedeutung

Das Element nach dem 1781 entdeckten Planeten Uranus benannt. (engl.: uranium)

Entdeckung und historische Bedeutung

Dem deutschen Chemiker Klaproth gelang 1789 die Isolierung eines neuen Metalloxids aus Joachimsthaler Pechblende, die man bis dahin für ein Gemisch aus Eisenerz und Zink gehalten hatte. Die Darstellung der metallischen Form ließ aber mehr als 65 Jahre auf sich warten. Und erst mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung 1895 sollte es wieder ins Zentrum wissenschaftlichen Interesses rücken. Becquerel konnte ein Jahr später zeigen, dass es sich bei der Strahlung von Uran um eine spontane und nicht um eine induzierte handeln musste. Zwar war die Fluoreszens der Uransalze schon des längeren bekannt, Becquerel konnte aber durch Dunkelversuche zeigen, dass die Strahlung des Urans nicht durch Lichteinwirkung verursacht wurde. Die Ursache aber konnte auch er nicht erklären. Dies blieb dem Forscherehepaar Marie und Pierre Curie vorbehalten, die 1903 den Nobelpreis für die Entdeckung der Radioaktivität des Urans erhielten. Bis zur Entdeckung der Kernspaltung 1938 durch die Deutschen Otto Hahn und Fritz Straßmann am Berliner Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin hatte Uran praktisch keine nennenswerte technische Bedeutung. Die bahnbrechende Entdeckung im Berlin des Dritten Reiches rückte es auf einen Schlag ins Rampenlicht des wissenschaftlichen und vor allem militärischen Interesses. Denn alle namhaften Physiker konnten sich die gigantische Energiemenge ausrechnen, die bei einer unkontrollierten Kettenreaktion entstehen musste. Und selbst Albert Einstein plädierte gegenüber dem US-Präsidenten Roosevelt für den Bau einer amerikanischen Atombombe, um den Deutschen zuvorzukommen. Die Anstrengungen der Amerikaner im Zuge des Manhattan Projects gipfelten in der Herstellung je einer Uran- und Plutoniumbombe, die über Hiroshima und Nagasaki abgeworfen wurden.

Vorkommen

Uran ist nach Thorium das zweithäufigste Actinoiden-Element; 23% der in der Erdkruste vorkommenden Actinoiden sind Uranisotope. In der Natur kommt es nicht elementar vor. Sein Anteil an der Bildung der Erdkruste wird mit ca. 0,0003 Gewichtsprozent angegeben. Das wichtigste Uran-Isotop U-238 steht am Anfang der Uran-Radium-Zerfallsreihe. Abbauwürdige Uranvorkommen findet man in Kanada und den Vereinigten Staaten, in Zaire, Südafrika, Namibia, Niger und Australien sowie in der tschechischen Republik. In Deutschland wurde Pechblende bis in die 50er in der Nähe von Wismut gefördert. Durch die intensive Suche nach Uran zur Herstellung der Atombombe sind heute knapp 150 Uranmineralien bekannt.

Eigenschaften

Uran ist ein radioaktives, verformbares, silbriges Metall. In Gegenwart von Luft reagiert unter Bildung einer dünnen Oxidschicht. In feiner Pulverform verbrennt es ab 170°C, in kompakter erst bei 700°C. Das Metall wird von Wasser und Säuren angegriffen, gegen Alkalien ist es dagegen recht beständig. Die bevorzugten Oxidationsstufen sind +4 und +6. Die wichtigsten Uranverbindungen sind Uranoxid, Urandioxid, Urancarbid und vor allem Uranhexafluorid. Uran und seine Verbindungen sind nicht nur radioaktiv, sondern auch giftig. Der MAK-Wert für Uranverbindungen wurde in Deutschland auf 0,25 mg/m³ festgesetzt.

Isotope

Alle Isotope des Urans sind instabil und radioaktiv. Natürlich vorkommendes Uran ist ein Isotopen-Gemisch aus 99,275% U-238, 0,720% U-235 und 0,005% U-234. U-238 ist mit einer Halbwertszeit von 4,47 Milliarden extrem langlebig. U-235, das vor allem für Kernspaltungsprozesse verwendet wird, hat eine Halbwertszeit von 703,8 Millionen Jahren. Alle drei natürlich vorkommenden Isotope zeigen auch Spontanzerfall. Neben diesen natürlichen Isotopen sind noch weitere 13 Radionuklide bekannt, die in vom Menschen verursachten Zerfallsprozessen entstehen. Die Halbwertszeiten dieser Isotope liegt zwischen 159.200 Jahren (U-233) und 0,5 Sekunden (U-266).

Kernspaltung

Wird ein Uran-235-Kern mit einem thermischen Neutron beschossen, entsteht ein Uran-236-Kern, der spontan in zwei Kernstücke zerfällt. Es entsteht ein Barium-144- und ein Krypton-89-Kern sowie drei Neutronen. Diese Neutron werden ausgeschleudert und treffen auf andere Uran-Kerne, die ihrerseits gespalten werden. Ist eine ausreichende Menge Uran vorhanden, kommt es zu einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion, bei der eine riesige Energiemenge in Form von Wärme frei wird.

Verwendung

Die Weltproduktion von Uran liegt bei jährlich 35.000 Tonnen. Technische Bedeutung hat vor allem die angereicherte Form des leicht spaltbaren U-235, das als Kernbrennstoff in Reaktoren und als Bombenmaterial verwendet wird.

Die Wissenschaftler nutzten die Zerfallszeit des Radioisotops Uran-238, um das Alter des Sterns auf 12, 5 Milliarden Jahre einzustufen. Möglich gemacht wurde dies mit Hilfe des Spektroskopen des "Very Large Telescope" in Chile. Dieses stellte eine Spektralanalyse der Lichtstrahlen des CS31082-001 an. Ein Teil davon korrespondiert mit Uran-238.

Schon bislang wurde das Radioisotop Thorium-232 verwendet, um auf das Alter des Universums rückzuschließen. Mit einer Halbwertzeit von über 14 Milliarden ermöglicht dieses aber nur ungenauere Schätzungen als das Uran-238 mit einer Halbwertzeit von viereinhalb Milliarden Jahren.

Thorium

Thorium (Th) ist ein radioaktives, silbriges Metall, das weich und verformbar ist. Seine Legierungen können allerdings recht hart sein. An Luft überzieht es sich sofort mit einer dünnen, schützenden Oxidschicht. Als feinstes Pulver neigt es zu Selbstentzündung. Mit heißem Wasser reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Das wichtigste Isotop ist Th-232 mit einer Halbwertszeit von mehr als 14 Milliarden Jahren. Daneben sind 24 Radionuklide bekannt; von diesen weisen Th-230 (Halbwertszeit: 75.400 Jahre) und Th-229 (7340 Jahre) die längsten Zerfallsraten auf. Die Isotope Th-217 bis 220 sind bereits binnen weniger Mikrosekunden zerfallen.

Mehr zu Thorium

Eigenschaften im Überblick

Namensbedeutung

Thor: germanische Gottheit (engl.: thorium)

Allgemein

1829 entdeckte der schwedische Chemiker Jöns Jakob Berzelius das Element bei der Untersuchung einer Mineralprobe, die er von der norwegischen Insel Lövo erhalten hatte. Die Reindarstellung des Metalls gelang aber erst fast 90 Jahre später. Thorium bildet den Ausgangspunkt für die Reihe der Actinoiden, in deren Folge das 5f-Orbital nach und nach besetzt wird. Es ist das häufigste Actinoiden-Elemente überhaupt: es macht knapp 77% aller in der Erdkruste vorkommenden Actinoiden aus. Sein Anteil an der Bildung der Erdkruste beträgt ca. 0,001 Gewichtsprozent. In der Natur findet man fast ausschließlich das extrem langlebige Isotop Th-232, das am Anfang der Thorium-Zerfallsreihe steht. Die übrigen Nuklide sind Zwischenprodukte verschiedener Zerfallsreihen. Thorium findet sich in Monazitsanden vergesellschaftet mit zahlreichen Lanthanoiden. Die wichtigsten Thorium-Mineralien sind Thrianit (Th, U)O₂ und Thorit (ThSiO₄). Daneben ist es auch in Zirkon und Sphen zu finden. Hauptabbaugebiete für Thorium-Mineralien sind Kanada, Brasilien, Indien und Sri Lanka.

Eigenschaften

Thorium ist ein radioaktives, silbriges Metall, das weich und verformbar ist. Seine Legierungen können allerdings recht hart sein. An Luft überzieht es sich sofort mit einer dünnen, schützenden Oxidschicht. Als feinstes Pulver neigt es zu Selbstentzündung. Mit heißem Wasser reagiert es unter Freisetzung von Wasserstoffgas. Chemisch ähnelt es dem Hafnium, so dass es längere Zeit der 4. Nebengruppe zugeordnet wurde. - Die wichtigste Thoriumverbindung ist Thoriumdioxid, das mit 3390°C den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Oxide hat! Thorium wirkt zwar nicht - wie beispielsweise Uran oder Plutonium akut toxisch - ist aber wegen seiner Radioaktivität krebserzeugend.

Isotope

Das wichtigste Isotop ist Th-232 mit der Halbwertszeit von mehr als 14 Milliarden Jahren! Daneben sind 24 Radionuklide bekannt; von diesen weisen Th-230 (HWZ. 75.400 Jahre) und Th-229 (7340 Jahre) die längsten Zerfallsraten auf. Die Isotope Th-217 bis 220 sind bereits binnen weniger Mikrosekunden zerfallen.

Verwendung

Die jährliche Weltproduktion wird mit ca. 31.000 Tonnen angegeben. Die Ressourcen werden auf 3,3 Mio. Tonnen geschätzt. Die oxidische Form des Thoriums wurde zuerst in Glühstrümpfen von Lampen eingesetzt. Es wird in Metallegierungen und heute auch als Kernbrennstoff in Reaktoren verwendet.

Wie eine Atomuhr

Projektmitglied Johannes Anderson von der Universität Kopenhagen verglich die Meßtechnik mit einer "Physikalischen Uhr, die zu mit der Geburt der Galaxie zu schlagen begann und seither unaufhörlich weiterschlägt."

Ausbaufähige Präzision

Noch ist die neue Methode nicht ausgefeilt, die Schwankungsbreite der Altersschätzung beträgt nach Auskunft von Anderson plus/minus drei Milliarden Jahre. "Die Halbwertzeit von Uran-238 kennen wir genau, die Daten der Spektralanalyse müssen aber noch exakter werden", so Anderson.

Im günstigsten Fall könnte die Unsicherheit auf plus/minus eineinhalb Milliarden Jahre eingeschränkt werden.