Determination of Radium, Thorium, and Protactinium in sediment cores of the Indian Ocean

Instead of the isotopes Jo, Th, and Pa the radioactive daughter products Rn, Tn, and An were measured. It was possible to date four cores and to calculate the sedimentation rates. A rough estimation of the sedimentation in the northern part of the Indian Ocean can be given. In the middle part, the sedimentation rate is s = 0.32 cm/10**3 years, and near Africa and near India this rate increases to values of about2 cm/10**3 years.

Liquid-liquid extraction of Pa-233(V) with Aliquat 336

The extraction of protactinium with Aliquat 336 (methyl-tri-caprylyl ammonium chloride) in toluene, cyclohexane and chloroform from HCl, HNO3, H2SO4, HClO4, HF and mixed HCl-HF media was investigated by radioactive tracer technique. Distribution ratios of protactinium between the aqueous solution and the organic phase were determined as a function of shaking time, concentrations of acid in aqueous solution phase, extractant concentration and type of diluents in the organic phase. Aliquat 336 can almost quantitatively extract protactinium from strong HCl solution. At the same time, small amounts of HF in HCl solutions have a strong effect on Pa distribution.

The electronic structure of anionic halide complexes of element 105 in aqueous solutions and their extraction by aliphatic amines

To study the complex formation of group 5 elements (Nb, Ta, Ha, and pseudoanalog Pa) in aqueous HCI solutions of medium and high concentrations the electronic structures of anionic complexes of these elements [MCl_6]^-, [MOCl_4]^-, [M(OH)-2 Cl_4]^-, and [MOCl_5]^2- have been calculated using the relativistic Dirac-Slater Discrete-Variational Method. The charge density distribution analysis has shown that tantalum occupies a specific position in the group and has the highest tendency to form the pure halide complex, [TaCl_6-. This fact along with a high covalency of this complex explains its good extractability into aliphatic amines. Niobium has equal trends to form pure halide [NbCl_6]^- and oxyhalide [NbOCl_5]^2- species at medium and high acid concentrations. Protactinium has a slight preference for the [PaOCl_5]^2- form or for the pure halide complexes with coordination number higher than 6 under these conditions. Element 105 at high HCl concentrations will have a preference to form oxyhalide anionic complex [HaOCl_5]^2- rather than [HaCl_6]^-. For the same sort of anionic oxychloride complexes an estimate has been done of their partition between the organic and aqueous phases in the extraction by aliphatic amines, which shows the following succession of the partition coefficients: P_Nb < P_Ha < P_Pa.

Bestimmung der Ionisationsenergie von Actinium und Ultraspurenanalyse von Plutonium mit resonanter Ionisationsmassenspektrometrie (RIMS)

ZusammenfassungDie Resonanzionisationsmassenspektrometrie (RIMS) verbindet hohe Elementselektivität mit guter Nachweiseffizienz. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Methode für Ultraspurenanalyse und Untersuchungen an seltenen oder schwer handhabbaren Elementen gut geeignet. Für RIMS werden neutrale Atome mit monochromatischem Laserlicht ein- oder mehrfach resonant auf energetisch hoch liegende Niveaus angeregt und anschließend durch einen weiteren Laserstrahl oder durch ein elektrisches Feld ionisiert. Die Photoionen werden in einem Massenspektrometer massenselektiv registriert.Ein Beispiel für die Anwendung von RIMS ist die präzise Bestimmung der Ionisationsenergie als fundamentale physikalisch-chemische Eigenschaft eines bestimmten Elements; insbesondere bei den Actinoiden ist die Kenntnis der Ionisationsenergie von Interesse, da es dort bis zur Anwendung der laser-massenspektroskopischer Methode nur wenige experimentelle Daten gab. Die Bestimmung der Ionisationsenergie erfolgt durch die Methode der Photoionisation im elektrischen Feld gemäß dem klassischen Sattelpunktsmodell. Im Experiment werden neutrale Atome in einem Atomstrahl mittels Laserlicht zunächst resonant angeregt. Die angeregten Atome befinden sich in einem äußeren, statischen elektrischen Feld und werden durch einen weiteren Laserstrahl, dessen Wellenlänge durchgestimmt wird, ionisiert. Das Überschreiten der Laserschwelle macht sich durch einen starken Anstieg im Ionensignal bemerkbar. Man führt diese Messung bei verschiedenen elektrischen Feldstärken durch und erhält bei Auftragen der Ionisationsschwellen gegen die Wurzel der elektrischen Feldstärke durch Extrapolation auf die Feldstärke Null die Ionisationsenergie.Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Ionisationsenergie von Actinium erstmalig zu 43398(3) cm-1 º 5,3807(4) eV experimentell bestimmt. Dazu wurden Actiniumatome zunächst einstufig resonant mit einem Laser mit einer Wellenlänge von 388,67 nm auf einen Zustand bei 25729,03 cm-1 angeregt und anschließend mit Laserlicht mit einer Wellenlänge von ca. 568 nm ionisiert. Damit sind die Ionisationsenergien aller Actinoiden bis einschließlich Einsteinium mit Ausnahme von Protactinium bekannt. Als Atomstrahlquelle wird ein spezielles 'Sandwichfilament' benutzt, bei dem das Actinoid als Hydroxid auf eine Tantalfolie aufgebracht und mit einer reduzierenden Deckschicht überzogen wird. Das Actinoid dampft bei Heizen dieser Anordnung atomar ab. Bei den schwereren Actinoiden wurde Titan als Deckschicht verwendet. Um einen Actiniumatomstrahl zu erzeugen, wurde aufgrund der hohen Abdampftemperaturen statt Titan erstmals Zirkonium eingesetzt. Bei Protactinium wurde Thorium, welches noch stärkere Reduktionseigenschaften aufweist, als Deckmaterial eingesetzt. Trotzdem gelang es mit der 'Sandwichtechnik' nicht, einen Protactiniumatomstrahl zu erzeugen. In der Flugzeitapparatur wurde lediglich ein Protactinium-monoxidionensignal detektiert. Um ein erst seit kurzem verfügbares Fest-körperlasersystem zu explorieren, wurden zusätzlich noch die bekannten Ionisations-ener-gien von Gadolinium und Plutonium erneut bestimmt. Die gemessenen Werte stimmen mit Literaturdaten gut überein.Ferner wurde noch ein bestehender Trennungsgang für Plutonium aus Umweltproben auf die Matrices Meerwasser und Hausstaub angepasst und für die Bestimmung von Plutonium und dessen Isotopenzusammensetzung in verschiedenen Probenreihen mittels RIMS eingesetzt. Der modifizierte Trennungsgang ermöglicht das schnelle Aufarbeiten von großen Probenmengen für Reihenuntersuchungen von Plutoniumkontaminationen. Die ermittelten Gehalten an 239Pu lagen zwischen 8,2*107 Atome pro 10 l Meerwasserprobe und 1,7*109Atome pro Gramm Staubprobe.

Studium hochkomplexer atomarer Spektren mittels Methoden der Laserresonanzionisation

In dieser Arbeit wurden umfangreiche laserspektroskopische Studien mit dem Zielrneines verbesserten Verständnisses höchst komplexer Spektren der Lanthanide und Aktinide durchgeführt. Einen Schwerpunkt bildete die Bestimmung bisher nicht oder mit unbefriedigender Genauigkeit bekannter erster Ionisationspotentiale für diese Elemente.rnHierzu wurden drei unterschiedliche experimentelle Methoden eingesetzt. Die Bestimmung des Ionisationspotentiales aus Rydbergserien wurde an den Beispielen Eisen, Mangan und Kobalt mit gemessenen Werten von IPFe = 63737, 6 ± 0, 2stat ± 0, 1syst cm−1, IPMn = 59959, 6 ± 0, 4 cm−1 beziehungsweise IPCo = 63564, 77 ± 0, 12 cm−1 zunächst erfolgreich erprobt. Die bestehenden Literaturwerte konnten in diesen Fällen bestätigt werden und bei Eisen und Kobalt die Genauigkeit etwa um einen Faktor drei bzw. acht verbessert werden. Im Falle der Lanthaniden und Aktiniden jedoch ist die Komplexität der Spektren derart hoch, dass Rydbergserien in einer Vielzahl weiterer Zustände beliebiger Konfiguration nicht oder kaum identifiziert werden können.rnUm dennoch das Ionisationspotential bestimmen zu können, wurde die verzögerte, gepulste Feldionisation wie auch das Verfahren der Isolated Core Excitation am Beispiel des Dysprosiums erprobt. Aus den so identifizierten Rydbergserien konnten Werte von IPFeld = 47899 ± 3 cm−1 beziehungsweise IPICE = 47900, 4 ± 1, 4 cm−1 bestimmt werden. Als komplementärer Ansatz, der auf ein möglichst reichhaltiges Spektrum in der Nähe des Ionisationspotentiales angewiesen ist, wurde zusätzlich die Sattelpunktsmethode erfolgreich eingesetzt. Das Ionisationspotential des Dysprosium wurde damit zu IPDy = 47901, 8±0, 3 cm−1 bestimmt, wobei am Samarium, dessen Ionisationspotential aus der Literatur mit höchster Genauigkeit bekannt ist, bestätigt werden konnte, dassrnauftretende systematische Fehler kleiner als 1 cm−1 sind. Das bisher sehr ungenau bekannte Ionisationspotential des Praseodyms wurde schließlich zu IPPr = 44120, 0 ± 0, 6 cm−1 gemessen. Hiermit wird der bisherige Literaturwert bei einer Verbesserung der Genauigkeit um zwei Größenordnungen um etwa 50 cm−1 nach oben korrigiert. Aus der Systematik der Ionisationspotentiale der Lanthaniden konnte schließlich das Ionisationspotential des radioaktiven Promethiums mit IPPm = 44985 ± 140 cm−1 vorhergesagt werden. Abschließend wurde die Laserresonanzionisation des Elements Protactinium demonstriertrnund das Ionisationspotential erstmals experimentell bestimmt. Ein Wert vonrn49000±110 cm−1 konnte aus dem charakteristischen Verhalten verschiedener Anregungsschemata gefolgert werden. Dieser Wert liegt etwa 1500 cm−1 höher als der bisherige Literaturwert, theoretische Vorhersagen weichen ebenfalls stark ab. Beide Abweichungen können über eine Betrachtung der Systematik der Ionisationspotentiale in der Aktinidenreihe hervorragend verstanden werden.

Zircons, isotope ratios and element analyses from tonalite and oxide gabbro of the mid-ocean ridge from ODP Hole 176-735B

A limiting factor in the accuracy and precision of U/Pb zircon dates is accurate correction for initial disequilibrium in the 238U and 235U decay chains. The longest-lived-and therefore most abundant-intermediate daughter product in the 235U isotopic decay chain is 231Pa (T1/2 = 32.71 ka), and the partitioning behavior of Pa in zircon is not well constrained. Here we report high-precision thermal ionization mass spectrometry (TIMS) U-Pb zircon data from two samples from Ocean Drilling Program (ODP) Hole 735B, which show evidence for incorporation of excess 231Pa during zircon crystallization. The most precise analyses from the two samples have consistent Th-corrected 206Pb/238U dates with weighted means of 11.9325 ± 0.0039 Ma (n = 9) and 11.920 ± 0.011 Ma (n = 4), but distinctly older 207Pb/235U dates that vary from 12.330 ± 0.048 Ma to 12.140 ± 0.044 Ma and 12.03 ± 0.24 to 12.40 ± 0.27 Ma, respectively. If the excess 207Pb is due to variable initial excess 231Pa, calculated initial (231Pa)/(235U) activity ratios for the two samples range from 5.6 ± 1.0 to 9.6 ± 1.1 and 3.5 ± 5.2 to 11.4 ± 5.8. The data from the more precisely dated sample yields estimated DPazircon/DUzircon from 2.2-3.8 and 5.6-9.6, assuming (231Pa)/(235U) of the melt equal to the global average of recently erupted mid-ocean ridge basaltic glasses or secular equilibrium, respectively. High precision ID-TIMS analyses from nine additional samples from Hole 735B and nearby Hole 1105A suggest similar partitioning. The lower range of DPazircon/DUzircon is consistent with ion microprobe measurements of 231Pa in zircons from Holocene and Pleistocene rhyolitic eruptions (Schmitt (2007; doi:10.2138/am.2007.2449) and Schmitt (2011; doi:10.1146/annurev-earth-040610-133330)). The data suggest that 231Pa is preferentially incorporated during zircon crystallization over a range of magmatic compositions, and excess initial 231Pa may be more common in zircons than acknowledged. The degree of initial disequilibrium in the 235U decay chain suggested by the data from this study, and other recent high precision datasets, leads to resolvable discordance in high precision dates of Cenozoic to Mesozoic zircons. Minor discordance in zircons of this age may therefore reflect initial excess 231Pa and does not require either inheritance or Pb loss.

Geochemistry nd isotopic composition of Indian Ocean sediments

A down-core 231Pa/230Th record has been measured from the southwestern Indian Ocean to reconstruct the history of deep water flow into this basin over the last glacial-interglacial cycle. The (231Paxs/230Thxs)0 ratio throughout the record is nearly constant at approximately 0.055, significantly lower than the production ratio of 0.093, indicating that the proxy is sensitive to changes in circulation and/or sediment flux at this site. The consistent value suggests that there has been no change in the inflow of Antarctic Bottom Water to the Indian Ocean during the last 140 ka, in contrast to the changes in deep circulation thought to occur in other ocean basins. The stability of the (231Paxs/230Thxs)0 value in the record contrasts with an existing sortable silt (SS) record from the same core. The observed equation image variability is attributed to a local geostrophic effect amplifying small changes in circulation. A record of authigenic U from the same core suggests that there was reduced oxygen in bottom waters at the core locality during glacial periods. The consistency of the (231Paxs/230Thxs)0 record implies that this could not have arisen by local changes in productivity, thus suggesting a far-field control: either globally reduced bottom water oxygenation or increased productivity south of the Opal Belt during glacials.

TECHNO encrustation description and analysis

The distribution of radioactivities in a large polymetallic encrustation (TECHNO) sampled from the Pacific sea floor has been studied in great detail. The study includes measurements of the long-lived U and Th decay series isotopes, alpha-particle tracks and SUP-10 Be and SUP-26 Al (Results on the latter two cosmonuclides have been reported by Guichard, Reyss and Yokoyama, 1978). The data are discussed in terms of their implication on age dating of the sample. Two interpretations of the data are presented leading to vastly different time scales for the formation of the sample. Here the opinion is divided among the authorship. One group, as well as Guichard et al (1978), favours the million-years scale and the other favors scale measured in thousands of years. The principal pros-and-cons aspects of the two views are mentioned.