Kernphysik

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Kernphysik

Schulversuchspraktikum

4. Protokoll

Kernphysik

(5. und 8. Klasse Oberstufe)

Dana Eva Ernst 9955579

Linz, am 24.11.2002


Inhaltsverzeichnis

Kapitel I - Thema und Ziele 3

Kapitel II - Grundbegriffe

2.1. Radioaktivität 4

2.2. Die unterschiedlichen Strahlungstypen 5

2.3. Das Ionisationsvermögen radioaktiver Strahlung 6

2.4. Das Zerfallsgesetz 10

Kapitel III - Versuche – Teil I

3.1. Die Wilsonsche Nebelkammer 12

3.2. Spitzenzähler und Elektroskop 14

3.3. Spitzenzähler und Verstärker 15

3.4. Reichweite von -Strahlung in Luft 15

3.5. Ionisationsvermögen von radioaktiver Strahlung 17

Kapitel IV - Versuche – Teil II

4.1. Das Zählrohr (Versuchskoffer) 18

4.1.1. Der Nulleffekt 19

4.1.2. Bestimmung der Zählrate 20

4.1.3. Das Abstandgesetz 20

4.1.4. Lage des Zählrohrs relativ zur Strahlungsquelle 21

4.1.5. Ablenkung im Magnetfeld 22

4.1.6. Abschwächung von - , - und - Strahlung 24

4.1.7. Halbwertsschichtdicke für Gammastrahlen 26

4.1.8. Rückstreuung von Betastrahlung 27

4.1.9. Dickenmessung 28

4.1.10. Abschwächung der Strahlung in Materie 29

4.1.11. Modell einer Stückzahlmessung 29

4.2. Das Zählrohr (Computer) 30

4.2.1. Zählrate 31

4.2.2. Statistik des radioaktiven Zerfalls 32

-1-


Kapitel V - Zusatzinformationen

5.1. Grundbegriffe der Dosimetrie 38

5.2. Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen 39

5.3. Praktische Anwendungsmöglichkeiten von Radionukliden 40

5.4. Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung 42

Kapitel VI - Anmerkung 43

Kapitel VII - Literatur 44

Anhang

Inhalt Experimentierkoffer

Folien

-2-


I. THEMA und ZIELE

Ich möchte dieses Protokoll mit einem Zitat beginnen, da es in kurzen Worten das Thema

Radioaktivität bzw. Kernphysik recht gut widerspiegelt:

„Die Geschehnisse der Natur sind verborgen; obgleich sie immer tätig ist, entdecken wir

nicht immer ihre Wirkungen ...“ Blaise Pascal

Dieser Stoff ist Thema der 5. und 8. Klasse Realgymnasium. In der 5. Klasse würde ich die

Statistikversuche (siehe Kapitel 4) aber noch nicht machen, da das nötige mathematische

Wissen noch nicht vorhanden ist.

Was sind laut Lehrplan die Ziele des Kapitels Kernphysik?

die Erforschung der Materie durch Streuversuche an Beispielen aufzeigen können;

den Aufbau von Atomen und Atomkernen beschreiben können;

Wesen und Wirkungen der Radioaktivität kennen;

Konsequenzen der Nutzung unterschiedlicher Formen von Primärenergie beurteilen

können;

am Beispiel der Elementarteilchenphysik einen Einblick in die Grundlagenforschung

gewinnen und deren Notwendigkeit abschätzen lernen;

über das Zerstörungspotential atomarer Waffen Bescheid wissen.

Anmerkung: Das sind sämtliche Ziele laut Lehrplan für das Kapitel Kernphysik. In diesem

Protokoll werden allerdings nicht alle Ziele behandelt. Der Schwerpunkt liegt hier bei der

Radioaktivität.

Erforderliche Vorraussetzungen bzw. Vorwissen:

der Aufbau der Kerne

das Periodensystem und dessen Eigenschaften

genaue Kenntnis der verschiedenen Strahlungsarten (-, -, - Strahlung)

Poissonverteilung aus dem Mathematikunterricht

Exponentialverteilung aus dem Mathematikunterricht

Die Lehrinhalte in diesem Protokoll sind unter anderem:

die Strukturaufklärung durch Streuversuche

Radioaktivität

Halbwertszeit

Radioisotope

-3-


2.1. Radioaktivität

II. Grundbegriffe

Unter Radioaktivität wird der spontane (d.h. unabhängig von äußeren Einflüssen wie z.B.

Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter

Änderung der Masse, Kernladung und Energie verstanden. Je nachdem, ob das betreffende

Isotop natürlich vorkommt oder künstlich erzeugt wird, spricht man von natürlicher oder

künstlicher Radioaktivität.

Die natürliche Radioaktivität tritt bei allen chemischen Elementen auf, deren Ordnungszahlen

größer als 80 sind.

Natürliche Radioaktivität: Hier muss man zwischen 2 Typen unterscheiden: zwischen der

terrestrischen und der kosmischen Strahlung. Die terrestrische Strahlung ist jene Strahlung,

die durch instabile Elemente der Erdkruste freigesetzt wird.

Von natürlicher Radioaktivität spricht man dann, wenn das radioaktive Nuklid in der Natur

vorkommt. Es gibt viele Radionuklide die seit der Entstehung der Erde existieren und noch

nicht vollständig zerfallen sind, da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehört z.B. Uran

238 – siehe Abbildung 1 – Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar.).

Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphäre und erreicht anschließend die

Erdoberfläche.

-4-

Abb. 1


Künstliche Radioaktivität: Bei radioaktiven Nukliden, die von menschlicher Hand erzeugt

werden, spricht man von künstlicher Radioaktivität. So wird zum Beispiel das Radioisotop

60

59

Co durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co

Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop.

-5-

hergestellt. Durch Einfangen des

Die Einheit der Aktivität oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel.

1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde.

Anmerkung: Vorsicht! Die bei der Radioaktivität freigesetzte Strahlung führt in Atomen (und

daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen. Dies kann für Lebewesen

gefährlich sein. Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen, die zur Ionenbildung führen)

sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Röntgenstrahlung.

Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten.

2.2. Die unterschiedlichen Strahlungstypen

- Strahlung:

Sie besteht aus He- Kernen. Ihre Energie beträgt im Mittel einige MeV. Da -Teilchen beim

Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer „Größe“), können sie leicht

abgeschirmt werden. Schon ein Blatt Papier kann einen Großteil der -Strahlung, die von

einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen.

4

Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( 2 He ) aus und wandelt sich dadurch

in einen anderen Atomkern um. Ein Beispiel:

- Strahlung:

238

U

234

92 (Uran) 90 Th

4

(Thorium) + 2 He (Heliumkern)

Sie besteht aus Elektronen. Ihre Energie beträgt in etwa 1 MeV. -Strahlung kann zwar

bereits tiefer in Materie eindringen, da sie jedoch aus Elektronen besteht, ist auch diese

Strahlung leicht abzuschirmen. (Zum Beispiel durch eine Metallplatte.)

Allerdings muss man noch zwischen - - und + - Strahlern unterscheiden. Bei - -Strahlern

zerfällt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron. Es wird außerdem noch ein

Antineutrino ausgesendet. Dieses Teilchen ist aber ungeladen. Ein Beispiel für einen - -

Strahler:

14

C

14

6 (Kohlenstoff) 7 N (Stickstoff) + e - +


Bei + -Strahlern zerfällt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron. Auch

hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt: ein Neutrino . Ein Beispiel für einen + -

Strahler:

- Strahlung:

11

C

11

6 (Kohlenstoff) 5 B(Bor)

+ e + +

Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie. Diese Strahlung kann aufgrund ihrer

Beschaffenheit nicht gänzlich abgeschirmt werden. Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann

jedoch ihre Intensität erheblich eingeschränkt werden.

Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von

einem höheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau über. Dabei wird

ein hochenergetisches Photon (ein sogenanntes -Quant) ausgesandt. Die Anzahl der

Kernteilchen bleibt dabei konstant.

Anmerkung: In diesem Zusammenhang kann man als Lehrer auch die Begriffe Mutter- und

Tocherkern einführen (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind).

Übersichtstabelle:

Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]

-Strahlung 5 0,04

-Strahlung 1 4

-Strahlung 1 660

2.3. Das Ionisationsvermögen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)

Allgemein: Das Ionisationsvermögen ist ein Parameter der Stoßionisation, der angibt, wie

viele Atome oder Moleküle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer

Flugstrecke von 1 m durch Stoßionisation ionisiert.

-Strahlung

-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel größere Masse. Aufgrund dieser

Tatsache sind sie in der Lage, Elektronen aus ihren Atomhüllen herauszuschlagen (siehe

Abbildung 2). Trotz dieser Stoßionisation werden die -Teilchen kaum von ihrer Bahn

abgelenkt.

Bei einem radioaktiven Zerfall wird die Energiedifferenz zwischen Mutter- und Tochterkern

dem resultierenden ausgesandten -Teilchen als kinetische Energie mitgegeben. Diese

-6-


kinetische Energie liegt im Bereich von einigen MeV (das ist sehr hoch) und dadurch

erzeugen -Teilchen beim Durchgang durch Materie viele Ionenpaare. Die -Teilchen

verlieren jedoch schon nach einer kurzen Wegstrecke ihre gesamte kinetische Energie.

- -Strahlung

Bei - -Strahlung handelt es sich um ausgesandte Elektronen. Diese Elektronen stoßen

(Stoßionisation) gegen die Elektronen der Atomhülle (siehe Abbildung 3). Die freien

Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein

anderes Elektron aus der Hülle herauszuschlagen) in der Lage, Elektronen aus den

Atomhüllen herauszuschlagen. Durch den Stoß gegen die Atomhüllen werden die Elektronen

allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt. Die Materie wird also durch - -Strahlung nur

schwach ionisiert., aber dadurch haben die - -Strahlen eine größere Reichweite als -

Strahlen.

+ -Strahlung

Im Prinzip verhält sich die + -Strahlung wie die - -Strahlung. Nur hierbei handelt es sich

nicht um freibewegliche Elektronen, sondern um Positronen.

Nachdem diese Positronen ihre kinetische Energie an die Materie abgegeben haben,

vernichten sie sich am Ende ihrer Bahn mit einem Elektron (vergleiche auch Paarvernichtung

– auf dieses Thema wird allerdings in diesem Protokoll nicht weiter eingegangen).

Durch diese Paarvernichtung werden zwei -Quanten frei, die in entgegengesetzte Richtungen

ausgesandt werden (siehe Abbildung 4). Die Energie dieser -Quanten beträgt jeweils 0,51

MeV.

-7-

Abb. 2

Abb. 3


Ein langsames Neutron

Ein langsames Neutron hat in der Regel eine ähnlich große Geschwindigkeit wie ein

Gasmolekül (Wärmebewegung). Das langsame Neutron dringt in die Materie ein, das heißt, es

diffundiert durch die Materie. Irgendwann wird es dann von einem Atomkern eingefangen

und wandelt das Atom in ein Isotop um. Dabei wird die Bindungsenergie in Form von -

Quanten frei (siehe Abbildung 5).

Ein kleines Beispiel:

Ein Wasserstoffatom fängt ein Neutron ein und geht somit über in das Deuterium-Isotop.

Oder anders:

Ein schnelles Neutron

1

1

H n H

-8-

2

1



Wasserstoff Deuterium

Abb. 4

Abb. 5

Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsätzlich

anders. Sie haben eine viel höhere kinetische Energie als langsame Neutronen. Stoßen diese

schnellen Neutronen gegen andere Teilchen, die in etwa dieselbe Masse aufweisen (z.B.

Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse), so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer

kinetischen Energie an diese Stoßpartner ab. Durch diese kinetische Energie wird der


Stoßpartner, in unserem Fall der Wasserstoffkern, zu einem Rückstoßkern. Dieser Kern

bewegt sich nun aufgrund dieser erhaltenen kinetischen Energie durch die Materie und

ionisiert diese (siehe Abbildung 6).

Ein niederenergetisches Photon

Ein niederenergetisches Photon dringt in die Materie ein. Trifft es dort auf ein Atom, so

schlägt es aus der Atomhülle ein Elektron heraus. Während das Photon vom Atom absorbiert

wird, dringt das herausgeschlagene Elektron weiter in die Materie ein und ionisiert diese.

Diesen Effekt bezeichnet man auch als Photoeffekt (siehe Abbildung 7).

Ein mittelenergetisches Photon

Auch hier ist die Energie des Photons groß genug, um aus der Hülle eines Atoms ein Elektron

herauszuschlagen. Das herausgeschlagene Elektron ionisiert wiederum die Materie.

Das niederenergetische Photon wird vom Atom absorbiert, aber das mittelenergetische Photon

wird nur von seiner Bahn abgelenkt und seine Energie wird verringert. Wird die Energie des

Photons kleiner, so nimmt die Wellenlänge zu. Mit anderen Worten: das Photon wird am

Atom gestreut. Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8).

-9-

Abb. 6

Abb. 7

Abb. 8


Das hochenergetische Photon

Tritt ein energiereiches Photon durch ein Atom, so entsteht ein Elektron - Positron - Paar.

Auch diese beiden geladenen Teilchen ionisieren die Materie. Das freie Elektron kann dann,

nachdem es seine Energie an andere Teilchen abgeben hat (durch Stoßprozesse), zum Beispiel

von einem Ion aufgenommen werden. Das Positron vernichtet sich am Ende seiner Bahn mit

einem Elektron (Paarvernichtung). Es entstehen 2 -Quanten, die jeweils eine Energie von

0,51 MeV besitzen (siehe Abbildung 9).

2.4. Das Zerfallsgesetz

Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein, wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven

Zerfall abnimmt.

Herleitung des Zerfallgesetzes:

Zerfällt eine radioaktive Substanz, so ist die Anzahl der in einem gewissen Zeitraum t,

zerfallenden Kerne n, proportional zum Produkt aus eben diesem Zeitraum und der Anzahl n

der Teilchen:

n ~ n t

n ... Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne

Nun bildet man aus n und t den Quotienten

t ... betrachteter Zeitraum

n ... Anzahl der Teilchen

n dn

und daraus das Differential . Man kann

t

dt

sich diese Größe auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen. Das Proportionalitätszeichen

verlangt einen Proportionalitätsfaktor, denn man nennt.

Somit erhält man:

-10-

Abb. 9


dn

dt


Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung.

dn

n

-11-

n


dt

Anmerkung: Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der

Teilchenanzahl.

Aus dem Integrieren folgt:

ln n = - t + c

und durch umformen folgt:

c t

n(t) = e e

Das kleine c ist die Integrationskonstante, die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss.

Dazu wählt man eine geeignete Anfangsbedingung: Zum Zeitpunkt t = 0 beträgt die Anzahl

der Teilchen No. Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert:

No = e c e 0 e c = No

Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt:

Das Zerfallsgesetz: n(t) = No e

Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit, in der die Hälfe aller vorhandenen Kerne

zerfallen ist.

Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaßen:

No Man setzt in der Gleichung n(t) = und rechnet die Zeit t aus, das heißt, man bestimmt jene

2

t

No Zeit, nach der von No Kernen nur noch Kerne vorhanden sind:

2

N o

= No

2

e

t

t =

ln 2

Die Halbwertszeit: t =


1

Anmerkung: wird auch als Lebensdauer bezeichnet.


1 1 ln

ln =

2

2


3.1. Die Wilsonsche Nebelkammer

III. Versuche – Teil I

Verwendete Materialen: Wilsonkammer nach Schürholz, Netzgerät, Lampe, Kondensor,

Transformator 2 –12 V, eine radioaktive Probe

Aufbau:

Versuchsgang:

Zu Beginn des Versuches tränkt man den mit Filz ausgelegten Kammerboden mit einem 50-

prozentigen Gemisch aus Methanol und Wasser. Danach steckt man die radioaktive Probe mit

Hilfe einer Pinzette in die dafür vorgesehene Halterung. Die Nebelkammer wird dann mit

einem Plexiglasdeckel abgedeckt.

In eben diesem Plexiglasdeckel befindet sich ein kleiner Schlitz, durch den die Kammer

beleuchtet wird. Die Lampe (dient zur Beleuchtung) wird in circa 10 cm Abstand zur

Nebelkammer aufgestellt. Es ist wichtig, dass die Lampe genau den Schlitz ausleuchtet.

Nun beginnt der eigentliche Versuch. Man wartet einige Minuten lang, bis sich genügend

radioaktive Strahlung in der Kammer befindet. Durch das Anlegen einer Gleichspannung

werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen „abgesaugt“. Daraufhin wird die

Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kräftigen Ruck die Kolbenpumpe in

die Endstellung (Expansion).

Anmerkung: Will man den Versuch noch einmal durchführen, so sollte man ein paar Minuten

warten!

Ergebnis von unserem Versuch:

Durch die Expansion kommt es in der Nebelkammer zur Kondensation an den von den -

Teilchen gebildeten Ionen. Die Bahnen der -Teilchen werden dadurch als Nebelbahnen

sichtbar.

Physikalische Erklärung:

Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles T.R. Wilson (1869 - 1959), einem bri-

-12-

Abb. 10


tischen Physiker und Nobelpreisträger, erfunden. Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus

einem zylindrischen Gefäß, das auf der einen Stirnfläche mit einer Glasplatte, auf der anderen

mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthält ein wasserdampfgesättigtes

Gas, meist Luft (siehe Abb. 11).

Durch das Zurückreißen des Kolben wird das Gasvolumen um ca. 30% vergrößert. Diese

adiabatische Expansion kühlt das Gas ab, und es ist nun mit Wasserdampf übersättigt. Dieser

scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab, wenn

Kondensationskeime, z.B. kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmoleküle (Ionen)

vorhanden sind. Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein, die auf ihrer Bahn

vorhandene Gasmoleküle ionisieren, so kondensieren Nebeltröpfchen an den Ionen, ehe sie

sich durch Diffusion „deutlich“ verschieben.

Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite, wird das Licht an

diesen Tröpfchen (Nebel) gestreut, und man kann die Spur des Teilchens durch die gläserne

Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des

geschwärzten Kolbens beobachten oder fotografieren.

Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst: Aus der Länge der Spuren kann ihre

kinetische Energie berechnet werden. Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen, die von einer

Radium-Quelle emittiert wurden.

-13-

Abb. 11

Foto 1


Anmerkung: Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt.

Für Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden.

3.2. Spitzenzähler und Elektroskop

Verwendete Materialen: Elektroskop, Lampe, Kondensor, Transformator, Geigerscher

Spitzenzähler, Hochspannungsnetzgerät, Voltmeter

Aufbau:

Versuchsgang:

Anmerkung: Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzähler zu reinigen. Dies macht man

entweder mit einem feuchten Lederlappen, oder man zieht die Spitze des Zählers zwischen

dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch.

Tipp: Den Innenraum des Zählers leicht mit Fett bestreichen, da so umherspringende

Staubteilchen besser gebunden werden.

Für diesen Versuch benötigt man Hochspannung (ca. 3 kV). Die Spannung wird so gewählt,

dass gerade noch keine selbständige Entladung in der Luft passiert.

Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und nähert diese an das offene Ende des

Spitzenzählers an. Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbändchens.

Ergebnis und Erklärung:

Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen lösen im elektrischen Feld einzelne

Entladungsstöße aus, die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden können.

Das Bändchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches. Beobachtet

man dieses Bändchen, so sieht man, das sich das Bändchen allmählich auflädt. Das passiert

durch die Entladungsstöße im Zähler. Ist das Bändchen stark genug geladen, so wird es an die

Gegenelektrode gezogen und entlädt sich dort. Danach springt es wieder in die Ausgangslage

zurück und die Aufladung beginnt von Neuen.

-14-

Bändchen


Abb. 12


Das Bändchen sollte sich immer in einem genügend großen Abstand von der Gegenelektrode

befinden. Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Bändchen heran, sodass

jede Entladung im Zähler das Bändchen an der Elektrode anschlagen lässt, so zeigt jeder

Anschlag des Bändchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzähler an.

Tipp: Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Präparat benutzen, so sonst das

Bändchen dauernd an der Elektrode anschlägt (das Bändchen wäre „überfordert“ und käme

nicht mehr hinterher).

3.3. Spitzenzähler und Verstärker

Verwendete Materialen: wie oben, plus Lautsprecher und Verstärker

Versuchsaufbau:

Versuchsgang:

Verstärkereinstellung: Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller

auf 30 mV einstellen.

Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (3.2.). Auch die Einstellungen an den

Geräten ist analog.

Ergebnis und Erklärung:

Im Prinzip erhält man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben, nur werden hier die

Entladungen hörbar gemacht.

Die Entladung führt zu einem Anstieg der Spannung im angehängten Hochohmwiderstand

(dieser befindet sich im Adapter). Dieser Anstieg wird verstärkt und mit Hilfe des

Lautsprechers in Form von knackenden Geräuschen hörbar gemacht.

Auch hier die Erklärung von oben: Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen lösen im

elektrischen Feld einzelne Entladungsstöße aus, die mit Hilfe des Elektroskop registriert

werden können und anschließend im Lautsprecher zu hören sind.

3.4. Reichweite von -Strahlung in Luft

Abb. 13

Anmerkung: Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 4.1.

-15-


Verwendete Materialen: Elektroskop, Lampe, Kondensor, Transformator, Ionisationskam-

mer, radioaktive Probe, Voltmeter

Aufbau:

Da bei diesem Versuch eine Ionisationskammer verwendet wird, wird an dieser Stelle kurz die

Funktionsweise dieser Kammer erläutert:

Radioaktive Strahlung lässt sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer

nachweisen. Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose, die mit Luft gefüllt

ist und einem isolierten, axial angeordneten Stift. Zwischen diesen beiden Elektroden wird

eine Spannung angelegt.

Ein radioaktives Präparat, das in der Ionisationskammer zerfällt, erzeugt dabei

hochenergetische - oder -Teilchen. -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung

in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen. Während der Abbremsung der Teilchen in

der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare, die im elektrischen Feld getrennt werden

und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Größenordnung 10 -12 A).

Versuchsgang:

Auch für diesen Versuch benötigt man Hochspannung (3 kV). Der Abstand zwischen dem

Bändchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt. Der

Blechdeckel (vergrößerbare Ionisationskammer) befindet sich am Anfang in der untersten

Stellung (siehe Abbildung 14). Die radioaktive Probe wird in das Elektroskop gesteckt und

der Abstand d (siehe Abbildung 14) soll zu Beginn 1 cm betragen. Legt man nun die

Hochspannung an, so fließt ein Ionisationsstrom, den man misst.

Man wiederholt den Versuch immer wieder und verändert dabei jeweils den Abstand d.

Ergebnis und Erklärung:

Man sieht, dass der Ionisationsstrom ansteigt, wenn man den Abstand d vergrößert. Der Strom

-16-

Blechdeckel

Abb. 14


erreicht seinen Sättigungswert bei circa 5 bis 6 cm. Vergrößert man den Abstand noch über

diesen Grenzwert hinaus, so steigt der Strom nicht mehr an, da die Reichweite der -Strahlen

begrenzt ist.

3.5. Ionisationsvermögen von radioaktiver Strahlung

Verwendete Materiale für beide untenstehenden Versuche: Elektroskop, radioaktives

Präparat, Kunststoffstab, Glasstab, Lederlappen, Ionisationskammer

Versuchsaufbau 1. Versuch:

Versuchsaufbau 2. Versuch:

Versuchsgang:

1. Versuch: Aufbau erfolgt, wie in Abbildung 15 zu sehen ist.

Man reibt den Kunststoffstab einmal an einem Wolltuch und bei einem weitern

Versuch an einem Lederlappen oder an Zeitungspapier. Danach lädt man mit dem

Stab das Elektroskop positiv auf. Nun bringt man die radioaktive Probe in die

Nähe der Elektrode und beobachtet dabei den Elektroskopausschlag.

2. Versuch: Aufbau erfolgt, wie in Abbildung 16 zu sehen ist. Es wird eine Hochspannung

von 2 kV verwendet. Die Probe wird in das Elektroskop mit Hilfe einer Pinzette

eingesetzt. Bei diesem Versuch wird die verwendete Ionisationskammer mit

Hochspannung versorgt. Auch hier wird das Elektroskop wieder positiv

aufgeladen und der Ausschlag am Elektroskop beobachtet.

-17-

Abb.15

Abb.16


Ergebnis und Erklärung:

1. Versuch: Durch die radioaktive Probe wird die Luft ionisiert. Die entstehenden positiven

und negativen Gasionen entladen das Elektroskop und der Zeiger des

Elektroskops zeigt dies an.

2. Versuch: Steckt man die Probe in das Elektroskop, so lädt sich dieses auf. Ist die

Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt, dass das Bändchen an ihr nicht

anschlagen kann, so stellt sich das Bändchen mehr oder weniger schnell auf

seinen Endwert ein. Berührt das Bändchen aber die Elektrode, so entlädt es sich

und der Vorgang begingt von Neuen.

Es wurde also gezeigt, dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht.

4.1. Das Zählrohr (Versuchskoffer)

IV. Versuche – Teil II

Anmerkung: Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung, was im Experimentierkoffer

enthalten ist. Alle im Folgenden angeführten Versuch wurden mit eben diesem

Experimentierkoffer durchgeführt.

Das Geiger-Müller-Zählrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode, der mit

einem Gasgemisch unter geringem Druck gefüllt ist. Die Anode ist ein dünner Draht

(Durchmesser ca.0,05mm) oder wie bei dem Zählrohr, das wir verwendet haben, ein weiterer

Zylinder. Die Anode ist elektrisch isoliert, und über einen (hochohmigen) Widerstand mit

dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden.

Gelangt nun ionisierende Strahlung durch das Fenster in das Innere des Zylinders, so ionisiert

es auf seinem Weg einige Gasatome und erzeugt Elektronen. Durch das im Inneren des

Zylinders vorhandene elektrische Feld werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie

weitere Elektronen aus dem Gas freisetzen und dadurch eine elektrische Entladung im Gas

auslösen. Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungsträger am Zähldraht als Ladungsim-

puls registriert.

Das erkennt man daran, dass über den Widerstand ein Strom fließt, welcher gemessen werden

kann. Die Impulsgröße ist jedoch nicht von der Größe der Primärionisation abhängig, sondern

jedes einfallende Teilchen löst eine volle Zählrohrentladung aus. Damit ist ein Rückschluss

auf die Energie des einfallenden Teilchens unmöglich. Das Geiger-Müller-Zählrohr

ermöglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses.

Zählrohrcharakteristik

Die einfachste Form eines Zählrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode, die ein

-18-


Volumen umschließen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (z.B. Luft oder

Argon) gefüllt sind.

Will man mit dem Geiger-Müller-Zählrohr eine Messung durchführen, stellt sich die Frage,

wie hoch die Zählrohrspannung gewählt werden muss.

Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungsträger und verhindert somit die

Rekombination. Gasdetektoren zeigen eine typische Abhängigkeit der Signalstärke von der

angelegten Spannung (siehe Abb. 17):

1. Im Rekombinationsbereich (1.) ist die angelegte Spannung sehr gering, und nach einer

erfolgten Ionisation rekombiniert das erzeugte Ionen-Elektronen-Paar wieder und erzeugt

somit kein Signal im Detektor.

2. Im Ionisationsgebiet (2.) ist die angelegte Spannung gerade ausreichend, um alle

erzeugten Elektronen auf der Anode zu sammeln; es wird ein Strom erzeugt, der

proportional zur Stärke der primären Strahlung ist (Anwendung: Ionenkammer). Er eignet

sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (z.B.

Alphastrahlung).

3. Wird die angelegte Spannung weiter erhöht, gelangt man in den Proportionalbereich (3.);

hier lösen die in der primären Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von

Sekundärionisationen aus (durch Stoßionisation), die als elektrischer Puls gemessen

werden. Häufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von

Umweltverschmutzungen.

4. Im Geiger-Müller-Bereich (4.) bewirkt das Primärteilchen eine vollständige Ionisation

des Detektorgases. Geiger-Müller-Zählrohre werden zur Aktivitätsmessung von

radioaktiven Materialien verwendet, da sie ihre Zerfälle pro Zeiteinheit messen können.

5. Erhöht man die Spannung weiter (5.), kommt es zur selbständigen Entladung des

Detektors durch Erzeugung von Ladungsträgern aus der Kathode. In diesem

Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden.

4.1.1. Der Nulleffekt

Wie in 2.1. schon erwähnt worden ist, sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-

-19-

Abb. 17


aktiver Strahlung umgeben. Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort

verschieden und verfälscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Präparaten.

Also misst man einmal vor Beginn der Zählrohrversuche die Strahlung, die in der Umgebung

vorhanden ist.

Es ist wichtig, dass man die Messdauer möglichst lang wählt, da dadurch die statistischen

Fehler geringer sind.

Aufbau:

In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe. Es wird einfach nur das

Zählrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen.

Resultat bei unserer Messung:

Zeitspanne [s] Impulse

1 0

10 2

100 24

1000 191

Das heißt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0,191 Impulsen/Sek.

4.1.2. Bestimmung der Zählrate

Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgeführt, nur steckt man hier in 2 cm Abstand

eine radioaktive Probe (bei uns Cäsium 137) auf das Steckbrett.

Anmerkung: Die effektive Zählrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem

Nulleffekt.

Resultat bei unserer Messung:

Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imp/s] effektive Zählrate [Imp/s]

1 24 0,191 23,809

10 321 0,191 31,909

100 3060 0,191 30,409

4.1.3. Das Abstandgesetz

Die Intensität radioaktiver Strahlung hängt vom Abstand der Quelle zum Zählrohr ab. Je

-20-

Abb. 18


weiter die Quelle vom Zähler entfernt wird, desto niedriger wird die Strahlungsdosis, die

schlussendlich den Detektor erreicht.

Der Versuchsaufbau ist derselbe, wie bei den beiden vorangegangenen Versuchen. Der

Abstand zwischen Quelle (Cäsium) und Zählrohr wird aber nach jeder Messung vergrößert.

Resultat bei unserer Messung:

Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse/10s effektive Zählrate [Imp/s]

1 10 573,5 57,159

2 10 342,3 34,039

4 100 129,1 12,719

6 100 61,3 5,939

8 100 35,1 3,319

Stellt man die Messergebnisse graphisch dar, so erkennt man, dass die Impulse mit

1/(Abstand)² abnehmen.

Impulse/10s

700

600

500

400

300

200

100

0

571,6

340,39

Abstandsgesetz

127,19 59,39 33,19

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Abstand [cm]

gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve

4.1.4. Lage des Zählrohrs relativ zur Strahlungsquelle

Aufbau:

-21-

Abb. 20

Abb. 19


Der Abstand Quelle (Cäsium-137)-Zählrohr, der nicht mehr verändert werden darf, beträgt bei

allen Versuchsgängen ca. 4 cm. Jetzt wird für alle Winkel (-45°, -30° ... 0° ... 45°) die

Zählrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen. Die Messdauer beträgt jeweils 100

Sekunden.

Anmerkung: Die Stahlumhüllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der

radioaktiven Strahlung im Raum. Dadurch ist das Ergebnis verfälscht.

Resultat bei unserer Messung:

Winkel [°] Messzeit [s] Imp/10s effektive Zählrate [Imp/10s] rel. Zählrate [%]

-45 100 220 218,09 17,31

-30 100 283 281,09 22,31

-15 100 698 696,09 55,24

0 100 1262 1260,09 100

15 100 717 715,09 56,75

30 100 341 339,09 26,91

45 100 275 373,09 29,61

Graphische Auswertung der Messdaten:

Impulse/10s

1400

1200

1000

800

600

400

200

Lage Quelle-Zählrohr

0

-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60

gemessene Kurve

4.1.5. Ablenkung im Magnetfeld

Winkel [°]

Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt. -Strahlung wird in

Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Südpols des Magnetfeldes abgelenkt.

-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22).

-22-

Abb. 21


Unsere Probe Cäsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus.

Versuchsaufbau:

Das Cäsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht. Für jeden

Winkel werden die Impulse gemessen. Die Messzeit beträgt jeweils 100 Sekunden und der

Abstand zwischen Quelle und Zählrohr circa 5-6 cm.

Man führt jeweils zwei Versuchsreihen durch, einmal ist der Nordpol des Magneten oben und

einmal der Südpol.

Abb. 22

Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23):

Winkel [°] Messzeit [s] Imp/100s effektive Zählrate [Imp/s]

45 100 184 1,649

30 100 175 1,559

15 100 166 1,469

0 100 193 1,739

-15 100 106 0,869

-30 100 319 2,999

-45 100 398 3,789

Resultat bei unserer Messung mit dem Südpol auf der Oberseite:

Abb. 23

Winkel [°] Messzeit [s] Imp/100s effektive Zählrate [Imp/s]

45 100 171 1,519

30 100 163 1,439

15 100 155

-23-

1,359


0 100 206 1,869

-15 100 101 0,819

-30 100 306 2,869

-45 100 379 3,599

Vergleicht man diese beiden Messungen, so kann man die jeweilige Polung des Magneten

auch aus den Messergebnissen herauslesen.

4.1.6. Abschwächung von - , - und - Strahlung

Der nächste Versuch zeigt, in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche

Materialen abgeschwächt werden.

Verwendete Materialen: Plexiglas-, Aluminium- und Eisenplatte und das Cäsiumpräparat

Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen: siehe Abschnitt 2.2.

Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert: Zuerst wird die

Messung ohne Absorber durchgeführt, und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den

Strahlengang. Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang, bis in etwa nur mehr die Hälfte

der ursprünglichen Strahlung vorhanden ist. Der Abstand Quelle (Americium-241 =

Alphastrahler)-Zählrohr betrug dabei 1,5 cm.

Aufbau:

Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse:

Anzahl der

Klebestreifen Imp/100s

effektive

Zählrate [Imp/s]

Absorption

in %

vom Material absorbierte

Impulse [Imp/100s]

0 4078 40,589 --- ---

1 2997 29,779 73,5 1081

2 2398 23,789 58,8 1680

3 2080 20,609 51,0 1998

-24-

Abb. 24


Graphische Darstellung:

Anzahl der Imulse

[Imp/100s]

4500

4000

3500

3000

2500

2000

Absorption der Alpha-Strahlung

0 1 2 3

Anzahl der Klebestreifen

gemessene Kurve

Abb. 25

Bei der Messung der Gammastrahlung wird, der im Koffer enthaltene Magnet, in den

Strahlengang gesteckt. Dadurch werden die - und die - Strahlung ausgeschaltet. Danach

werden verschiedene Platten in den Strahlengang eingebaut und die unterschiedlichen

Absorptionen gemessen. Der Abstand Quelle (Cäsium-137)-Zählrohr betrug dabei 7 cm.

Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse:

Material Imp/100s

effektive Zählrate

[Imp/s]

vom Material absorbierte

Impulse [Imp./100s]

Absorption

in %

Luft 133 1,139 --- ---

Plexiglas 80 0,609 53 40

Aluminium 76 0,569 57 42,9

Eisen 63 0,439 70 52,6

Blei 51 0,319 82 61,7

Bei der Messung der Beta-Strahlung wird der Magnet wieder entfernt. Nun wird aber nicht

nur der reine Beta-Anteil der Strahlung gemessen, sondern eine Mischstrahlung. Deshalb

muss von den gemessenen Impulsen jeweils noch die eben bestimmte Gammastrahlung

abgezogen werden. Der Abstand Quelle (Cäsium-137)-Zählrohr betrug dabei wiederum 7 cm

(wichtig!!!).

Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse:

Material

Imp

/100s

effektive

Zählrate

[Imp/s]

vom Material

absorbierte Impulse

[Imp./100s]

-25-

Gesamte

Absorption

in %

Impulse d. Betastrahlung

Luft 398 3,789 --- --- 265

Plexiglas 109 0,899 289 72,6 29

Aluminium 90 0,709 308 77,4 14

Eisen 70 0,509 328 82,4 7

Blei 60 0,409 338 84,9 9


4.1.7. Halbwertsschichtdicke für Gammastrahlen

Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit, nach der nur mehr die Hälfe des radioaktiven

Stoffes vorhanden ist. Bei der Halbwertsschichtdicke verhält es sich genauso. Sie gibt an, bei

welcher Schichtdicke nur mehr die Hälfte der ursprünglichen Strahlungsintensität vorhanden

ist. Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhängig und kann aus dem

Absorptionsgesetz ausgerechnet werden.

Absorptionsgesetz:

- d

I = Io e

Io ... Intensität vor Eintritt in die Materie

I ... Intensität nach Durchgang durch die Materie

... Absorptionskoeffizient

d ... Dicke der Materialschicht

1

Setzt man den Quotient I/Io gleich , so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben:

2

Aufbau:

1 - d 1 1

= e d = - ln

2

2

Der Magnet bewirkt, dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt. Zuerst wird der

Versuch ohne Absorber durchgeführt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke

Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut. Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem

Abstand Quelle- Zählrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen. Wir haben

bei diesem Versuch wieder die Cäsiumquelle verwendet.

Unsere Messergebnisse:

Bleiplattendicke Imp/100s eff. Zählrate [Imp/100s] effektive Zählrate [Imp/s]

Luft 93 73,9 0,739

1 mm 65 45,9 0,459

3 mm 54 26,9 0,269

6 mm 45 16,9 0,169

9 mm 33 13,9 0,139

-26-

Abb. 26


Graphische Auswertung:

eff. ZR [Imp / 100 s]

Halbwertsschichtdicke

80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 2 4 6 8 10

gemessene Kurve

Dicke der Bleiplatten

Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider.

4.1.8. Rückstreuung von Betastrahlung

Trifft Betastrahlung auf Materie, so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle

Raumrichtungen gestreut. Dabei ist eine Gesetzmäßigkeit erkennbar: Je größer die

Ordnungszahl des bestrahlten Materials, desto größer ist auch die Streuung.

Diese Gesetzmäßigkeit soll der nächste Versuch verdeutlichen.

Aufbau:

Anmerkung: Zu Beginn sollte man noch einmal den Leerwert, bei gegebener Anordnung

aufnehmen!

Nun stellt man nacheinander die 5mm starke Plexiglasplatte, die Aluminiumplatte, die

Eisenplatte und die Bleiplatte, so wie es die Abbildung zeigt, in den Strahlengang.

Verwendete Quelle: Cäsium-137

Messzeit: 100s

-27-

Abb. 28

Abb. 27


Unsere Messergebnisse:

Leerwert: 986 Imp/1000s 105 Imp/100s

Material Imp/100s eff. Zählrate [Imp/s] Ordnungzahl

Plexiglas 113 0,939 kleiner als 12

Aluminium 116 0,969 13

Eisen 129 1,099 26

Blei 153 1,133 82

Man sieht, dass mit steigender Ordnungszahl die Rückstreuung zunimmt.

Anmerkung: Diese Versuchsprinzip findet bei der Füllstandskontrolle von Flüssigkeits-

behältern eine Anwendung.

4.1.9. Dickenmessung

Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption.

Für das Verständnis der Dickenmessung genügt es zu zeigen, dass die Abweichungen von

einer gewählten Dicke festgestellt werden können.

Aufbau:

Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht. Zuerst wurden 3 Folien auf die große

Aluminiumplatte mit dem Loch geklebt und nach Beendigung dieses Versuches wurden 6

Alufolien auf die Platte geklebt und der Versuch wiederholt.

Aus dem Unterschied der Zählrate kann man auf die Dickenänderung schließen.

Messzeit: 100s

Abstand Quelle-Zählrohr: 1,5 cm

Quelle: Cäsium-137

Resultat bei unserer Messung:

Folienanzahl Imp/100s eff. Zählrate [Imp/s]

3 1543 15,239

3 1539 15,199

3 1459 14,399

Mittelwert 1514 14,946

-28-

Abb. 29


6 1034 10,149

6 1104 10,849

6 995 9,759

Mittelwert 1044 10,252

Man sieht also, dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst. Das heißt, die Schicht ist

dicker geworden.

4.1.10. Abschwächung der Strahlung in Materie

Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser, so wird die Intensität der Strahlung geschwächt.

Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d . Wir haben diesen Versuch mit

einem Plastikbecher gefüllt mit Wasser durchgeführt.

Die Messzeit wird relativ lang gewählt: 1000 Sekunden.

Abstand Quelle-Zählrohr: 4 cm

Dicke das Wasserbechers: 2,5 cm

Quelle: Radium-226

Aufbau:

Resultat:

Imp/1000s eff. Zählrate [Imp/s]

leerer Becher 1006 0,815

mit Wasser gefüllter Becher 524 0,333

Das heißt, bei einer Wasserdicke von 2,5 cm wird rund 50 % der ursprünglichen Intensität

absorbiert.

4.1.11. Modell einer Stückzahlmessung

Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich. Auf

diesem Prinzip beruht die Stückzahlmessung.

Anwendung in der Industrie:

Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung, so ist an dieser Stelle ein

-29-

Abb. 30


Hohlraum. Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren, da die

Detektorzählrate an dieser Fehlstelle ansteigt. In der Industrie werden solche fehlerhaften

Packungen dann vollautomatisch aussortiert.

In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefüllt) verwendet,

um diesen Vorgang nachzuahmen.

Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen

Stellen der Platte die Zählrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum, einmal im Hohlraum,

einmal rechts vom Hohlraum).

Abstand Quelle-Zählrohr: 1,5 cm

Quelle: Radium-226

Messzeit: 100s

Unser Ergebnis:

An diesen Ergebnissen sieht man, das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert

wurden. Das heißt, diese Stelle hat eine andere Dichte. Vor und nach dem Hohlraum ist die

Zählrate annähernd gleich.

4.2. Das Zählrohr (Computer)

Messpunkt Imp/100s eff. Zählrate [Imp/s]

vor dem Hohlraum 61 0,419

Hohlraum 90 0,709

nach dem Hohlraum 70 0,509

Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang):

Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschließend den Computer. Wenn man dann

das Zählrohrprogramm startet, so ist am Computer folgendes Bild zu sehen:

-30-

Abb. 31


In den 3 Rechtecken (Zählrate, Impulszahl pro Zeitintervall, Zeit bis zum nächsten Ereignis)

stehen die möglichen Versuche, die man mit einem Mausklick aktivieren kann.

4.2.1. Zählrate

Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfälle einer radioaktiven Probe gemessen.

Die Entfernung Quelle-Zählrohr betrug dabei ca. 1 cm (die Anzahl der Impulse hängt sehr

stark von eben dieser Entfernung ab).

Folgende Abbildungen haben wir erhalten:

Für das Radiumpräparat:

Abb. 33

Aus dieser Abbildung lässt sich herauslesen, dass Radium ca. 470 Zerfäll/Sekunde

aufweist.

-31-

Abb. 32


Für das Cäsiumpräparat:

Aus dieser Abbildung lässt sich herauslesen, dass Cäsium ca. 125 Zerfäll/Sekunde aufweist.

4.2.2. Statistik des radioaktiven Zerfalls

Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit

Führt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch, so wird man in

einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfällen (oder Ereignisse)

messen. Man kann auch nicht sagen, wann und wie viele Ereignisse stattfinden. Jede Messung

einer Zerfallsrate ist mit einer statistischen Unsicherheit verbunden.

Allerdings wird man feststellen, dass die Anzahl von Ereignissen um einen bestimmten

Mittelwert schwanken.

Das Poissonsche Verteilungsgesetz (Wahrscheinlichkeitsrechnung) ist ein Maß für diese

Schwankungen. Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck für

die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung), in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfällen zu

beobachten:

Poissonsches Verteilungsgesetz:

( N

Pn

( T)


n!

n

T ) NT

T ... Zeit

-32-

e

n ... Anzahl der Zerfälle

Pn ... Wahrscheinlichkeit

Abb. 34


N ... Anzahl der radioaktiven Atome

... die dazugehörige Zerfallswahrscheinlichkeit

Graphische Darstellung der Poissonverteilung:

Den Mittelwert dieser Verteilung erhält man aus folgender Beziehung:


n0

n n P N

T

Anmerkung: Das Produkt aus N und wird auch kurz als µ bezeichnet und bedeutet die

mittlere Zählrate (mittlere Anzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit).

Versuch:

Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall), wird gemessen wie oft ein Ereignis

in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft.

Ein Beispiel: Das gewählte Zeitintervall ist eine Sekunde. Nun messen wir, wie viele Zerfälle

in dieser Zeit registriert werden. Die Anzahl der Zerfälle werden im Diagramm auf der x-

Achse aufgetragen. Auf der y-Achse wird die Häufigkeit aufgetragen (d.h. wie oft eine

bestimmte Anzahl von Zerfällen im gewählten Zeitintervall auftreten). Dieser Versuch wird

sehr oft durchgeführt und es ergibt sich schlussendlich eine Verteilung: die Poissonverteilung.

Anmerkung: In der Regel sollte man bei stark radioaktiven Substanzen etwa 10 Minuten und

bei schwach radioaktiven Substanzen ca. 20 Minuten lang messen.

n

-33-

Abb. 35


Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen:

Für Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten):

Für Cäsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten):

Anmerkung: Die grüne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom

Computer berechnet). Je kleiner der Abstand zwischen den 3 grünen Kurven ist, desto

genauer ist die Poissonverteilung.

Wie man in diesen Diagrammen sieht, gibt es 3 einzustellende Parameter: die Kanalbreite n,

die Kanäle, die Messzeitdauer.

-34-

Abb. 36

Abb. 37


Die Kanalbreite wird üblicherweise recht klein gewählt (bei uns 2), da diese für die Auflösung

der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann.

Wie wählt man die Einstellungen?

Dazu brauchen wir die Zerfallsrate, die wir vorhin z.B. bei Cäsium mit 125 s -1 bestimmt

haben. In 0,1 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfälle, also wählen wir die

Messzeitdauer T = 0,1 s. Die Anzahl der Kanäle ist durch 2 die Anzahl der mittleren

Zerfälle bestimmt, also 26. Da die Kanäle aber nur in 10er Schritten angegeben werden, wählt

man 30 Kanäle.

Anmerkung: Man kann auch mehr Kanäle wählen (siehe Abbildung 37), dann hat man zwar

am Rand der Kurve jeweils links und rechts eine Nulllinie, aber dadurch kann man

sichergehen, dass man die komplette Kurve im Diagramm sieht.

Zeit bis zum nächsten Ereignis

Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant, wie groß die

Wahrscheinlichkeit ist, dass nach einem einzelnen Zerfall der nächste (n+1), der übernächste

(n+2) u.s.w. nach einem bestimmten Zeitintervall eintritt.

Dabei ist es egal, ob man die Messung nach einem bestimmten Ereignis beginnt, oder ob man

die Messung zu einem willkürlich gewählten Zeitpunkt startet.

Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel:

E

n

n1

( Nt)

Nt

( t)

e N

( n 1)!

t ... Zeit

n ... Anzahl der Zerfälle

En ... Wahrscheinlichkeit

-35-

dt

N ... Anzahl der radioaktiven Atome

... die dazugehörige Zerfallswahrscheinlichkeit

Den Mittelwert dieser Verteilung erhält man aus folgender Beziehung:


t t En

0

( t)


Setzt man n=1, so erhält man die sogenannte Exponentialverteilung, d.h. die

Wahrscheinlichkeit, dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das nächste Ereignis beobachtet

wird. Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch:

n

N

t

E ( t) e dt

1


Graphische Darstellung der Exponentialverteilung:

Schaut man sich den Graphen genauer an, so erkennt man, dass es am wahrscheinlichsten ist,

dass zum Zeitpunkt t=0 das nächste Ereignis eintritt (d.h. unmittelbar nach dem Beginn der

Messung).

Versuch:

Bei dem Versuch „Zeit bis zum nächsten Ereignis“, wird die Messung bei einem registrierten

Zerfall begonnen und beim nächsten registrierten Zerfall gestoppt. Zwischen diesen beiden

Zerfällen liegt ein Zeitintervall T. Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-

anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen. Die Häufigkeit (d.h. wie oft

ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfällen gemessen wird) wird auf der y-Achse

aufgetragen. Führen wir diesen Versuch sehr oft durch, so erhält man wieder eine Verteilung:

diesmal keine Poissonverteilung, sondern eine Exponentialverteilung.

Wie wählt man die Einstellungen?

Ein Beispiel: Cäsium hat ja wie gesagt, eine mittlere Zählrate von 150 s -1 . Daraus kann man

nun berechnen, wie groß die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist. Die Zeit ist der Kehrwert,

also T = 1/150 s -1 = 0,007 Sekunden (kann auch kleiner gewählt werden). Soll die Verteilung

95 % der Ereignisse anzeigen, so muss die Anzahl der Kanäle mindestens ln (1-0,95)/ T

betragen. Also benötigt man bei dem angeführten Beispiel mindestens 20 Kanäle.

-36-

Abb. 38


Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen:

Für Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten):

Für Cäsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten):

Anmerkung: Man beachte die gewählten Einstellungen bei unseren Messungen!!!

-37-

Abb. 39

Abb. 40


5.1. Grundbegriffe der Dosimetrie

V. Zusatzinformationen

Es gibt einige Begriffe, die die Gefährlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen

beschreiben.

Überblick über einige Begriffe:

Die Aktivität oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfälle pro Sekunde;

ihre Einheit ist das

Becquerel [Bq]=[s -1 ] (Früher: 1 Curie [Ci] = 3,7 10 10 Bq).

Die Energiedosis ist ein Maß für die in Materie absorbierte Strahlungsenergie. Die

Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 J/kg (Früher: 1 rad [rd] = 0,01 J/kg).

Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist, wird im allgemeinen die

Ionendosis gemessen, deren Einheit 1 Coulomb/kg ist (früher: 1 Röntgen [r] = 2,58

10 -4 C/kg. Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benötigt

werden, entspricht dies etwa einer Energiedosis von 0,01 rd.). Die Ionendosis ist der

Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens, die pro Kilogramm des

bestrahlten Körpers erzeugt werden.

Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit. Die SI - Maßeinheit ist 1

A/kg (Ampere pro Kilogramm).

Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung hängt von ihrer spezifischen

Ionisierungsfähigkeit ab. Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen,

Protonen, Alpha-, Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung.

Diese Tatsache wird durch den Qualitätsfaktor berücksichtigt.

Jede Strahlungsart erhält so einen bestimmten Qualitätsfaktor:

Strahlungsart Qualitätsfaktor

Röntgenstrahlung 1

- Strahlung 20

- Strahlung 1

- Strahlung 1

langsame Neutronen 3

schnelle Neutronen 10

Elektronen 1

Protonen 5

Das Produkt aus Energiedosis und Qualitätsfaktor nennt man die Äquivalenzdosis.

-38-


Die SI - Maßeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm).

Bei einer Ganzkörperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind

abhängig von der aufgenommen Äquivalentdosis folgende Schäden zu erwarten:

0,25 Sv reversible Veränderungen im Blutbild

1 Sv Übelkeit, Erbrechen, Schwindel, Verdauungsstörungen (reversibel)

4 Sv 50 % der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)

7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)

Bei der Berechnung der effektiven Äquivalentdosis wird zusätzlich noch die

unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet.

Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet, wobei die

Summe über den ganzen Körper 1 ist. Dabei gehören die Keimdrüsen (0.25), die

Lunge (0.12), rotes Knochenmark (0.12) und Nervengewebe zu den empfindlichsten

Körperteilen, während Muskelgewebe (0.03) und die Haut eher unempfindlich sind.

5.2. Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen

Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der

toxilogischen Eigenschaften gefährlich. Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders

sorgsam umgehen. Grundsätzlich wird der Umgang mit diesen Substanzen durch die

aufgrund des Atomgesetzes von 1959 erlassene Strahlenschutzverordnung geregelt. Die

Strahlenschutzverordnung schreibt vor, wer, wann, wo, wie lange und unter welchen Be-

dingungen mit radioaktiven Substanzen umgehen darf. Sie hat zum Ziel, unnötige

Bestrahlung von Personen, Sachgütern oder der Umwelt zu verhindern.

Generell gilt:

Mit radioaktiven Präparaten sollten nur befugte Personen hantieren !

Abschirmung von radioaktiver Strahlung

Das oberste Strahlenschutzgebot ist, jede Strahlenbelastung, auch unterhalb der gesetzlich

festgelegten Grenzen, so gering wie möglich zu halten. Da die Intensität einer gleichmäßig in

den Raum strahlenden Quelle mit 1/(Entfernung) 2 abnimmt, ist eine effektive Methode sich

vor Strahlung zu schützen:

ABSTAND HALTEN !!!

Natürliche und zivilisatorische Strahlenbelastung

In Österreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natürliche Strahlung etwa 1.2 mSv pro

Jahr. Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist höhenabhängig.

-39-


Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen

Die Äquivalenzdosis während eines Fluges in 10 Km Höhe beträgt ca. 2mSv/h.

Die letale Ganzkörperdosis beträgt ca. 7 Sv. In 50% der Fälle tritt dann nach ca. 1 Monat

der Tod ein. Zum Vergleich sei erwähnt, dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv

erreicht werden können.

Grenzwerte der Strahlenbelastung:

Zum Schutz der Bevölkerung müssen Bereiche, in denen mit radioaktiven Stoffen

umgegangen wird, in Gruppen unterteilt werden und außerdem unterliegen diese Bereiche

einer gesetzlichen Überwachungspflicht.

Sperrbereich: Bereiche, in denen die Ortsdosisleistung größer als 3 mSv/h sein kann.

Kontrollbereich: Bereiche in denen Personen eine Ganzkörperdosis größer als 15 mSv/a aber

weniger als 50 mSv/a ausgesetzt sein können. Diese Bereiche sind nur Personen zugänglich,

die dort beruflich tätig sind.

Überwachungsbereich: Man unterscheidet zwischen betrieblichen Überwachungsbereich,

wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSv/a und 15 mSv/a betragen darf und dem ausser-

betrieblichen Überwachungsbereich, wo die Grenze von 5 mSv/a nicht überschritten werden

darf.

Umgang mit radioaktiven Quellen:

Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behältern und außerdem versiegelt.

Deshalb besteht nach außen keine Gefahr, es sei denn, man zerstört das Gehäuse.

Falls es mal zur Zerstörung eines Quellengehäuses kommen sollte, dann gilt für die

Allgemein gilt:

Schüler: Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen!

In Räumen, in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird, darf weder

gegessen, getrunken noch geraucht werden.

Vermeide die Quellen mit den Fingern zu berühren.

Halte die Quelle immer möglichst weit vom Körper weg. Achte dabei aber darauf,

dass du keine andere Person bestrahlst.

5.3. Praktische Anwendungsmöglichkeiten von Radionukliden

Allgemein: Radioaktive Isotope für den technischen Einsatz werden großteils mit

Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt. Isotope werden vielfältig

eingesetzt. Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt. Radioaktive Isotope reagieren

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chemisch genauso wie stabile Isotope. Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige

Verbindungen eingebaut und dadurch können zum Beispiel Mischvorgänge oder Kreisläufe

(z.B. Abgasströmungen) beobachtet und kontrolliert werden.

Anwendung von + -Strahlern in der Medizin:

18

Ein Zyklotron dient zur Herstellung von 9 F , das als radioaktiver + -Strahler in der Positron

– Emission – Tomographie (kurz PET) verwendet wird.

Zerfall:

18 9

F


18 8


O e

Positronemittierende Stoffe werden in chemische Substanzen eingebaut, die im Organismus

bevorzugt in bestimmten Organen oder Tumoren gespeichert werden. Diese Substanzen

werden dem Patienten verabreicht und danach ihre Verteilung im Körper untersucht. Beim

Zerfall der Nuklide treffen die Positronen am Ort der Entstehung auf Elektronen und werden

vernichtet. Die beiden entstehenden -Quanten verlassen in entgegengesetzter Richtung den

Körper und werden in rund um den Körper aufgestellten Zählern registriert. Aus ihren

Richtungen lässt sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln.

Andere Anwendungen

In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt, um den Kreislauf des Düngers

15

zu verfolgen. Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N

verwendet.

radioaktiven Kohlendioxid. Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese

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32

) und Phosphor ( P )

Auch bei der Bekämpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt. Man züchtet

im Labor einige männliche Insekten und bestrahlt diese. Die Wirkung ist enorm: nach der

Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert. Diese Insekten werden dann anschließend

freigelassen. Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten, so sind auch

die Eier unfruchtbar. Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschränkt.

Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr

nützlich. Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetötet und die

Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung, da der Reifungsprozess verzögert

wird.

Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archäologie.

Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphäre ständig C-14 erzeugt. Dieses C-14

hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre). Es verbindet sich mit Sauerstoff zu


Verbindung in sich auf und diese zerfällt weiter. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht

zwischen zerfallenen und neugebildeten C-14 ein. Stirbt ein Organismus ab, dann wird kein

C-14 mehr vom Organismus aufgenommen und das Gleichgewicht bleibt nicht mehr erhalten.

Das C-14, das noch im toten Organismus vorhanden ist, zerfällt weiter. Entnimmt man eine

Probe, und bestimmt den C-14 Gehalt, so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des

Organismus berechnen

5.4. Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung

Als die Röntgenstrahlung entdeckt wurde, ging man sehr nachlässig mit dieser Strahlung um,

da man die Folgen noch nicht kannte. Man stellte bald fest, dass sie die menschliche Haut

durch häufige Bestrahlung rötete. Später untersucht man diese Hauterscheinungen genauer

und man stellte fest, das die ionisierte Strahlung Körperzellen zerstört. Hochenergetische

Strahlung (Elektronen, Protonen, Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Moleküle.

Deshalb spricht man auch von ionisierter Strahlung.

In jeder einzelnen lebenden Zelle ist der gesamte genetische Code eines lebenden Organismus

gespeichert (DNS). Durch ionisierende Strahlung kann es bei der DNS zu einem Bruch der

beiden DNS-Stränge kommen: Bleibt ein Strang intakt, so kann die Zelle den Schaden

selbständig reparieren. Werden beide Stränge durchtrennt, ist das nicht mehr möglich und der

Strahlenschaden kann zum Zelltod führen. Durch Bestrahlung kann die in den Zellen

gespeicherten Erbinformationen verändert werden. Diese Veränderungen können aber auch zu

einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle führen. Diese Fehler werden dann durch die

natürliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben. Diese Fehlerentstehung

muss aber nicht unbedingt ausschließlich durch Strahlung erfolgen. Sie kann auch ein Resultat

von Umwelteinflüssen sein. Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus, der

etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann, doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer

fehlerfrei.

Während der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschäden. Die

Organe in z. B. menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf

Strahlung. Blutbildende Organe und die Keimdrüsen sind dabei am empfindlichsten

(Knochenmark, Milz, ...). Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr

empfindlich gegenüber Strahlenschäden (es können genetische Strahlenschäden = Erbschäden

auftreten).

Strahlenspätschäden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukämie und Krebs. Durch eine

große Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko höher, aber theoretisch reicht ein einziger

Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszulösen.

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Zum Einsatz im Unterricht:

VI. Anmerkung

Sämtliche angeführten Versuche sind durchaus für den Unterricht der 8. Klasse geeignet. Sie

sind sehr einfach durchzuführen und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen

problemlos zu erklären.

Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer: Diese sind zwar in der Regel sehr

anschaulich, aber ein negativer Punkt sei erwähnt: Das verwendete Zählrohr gibt immer einen

Piepton von sich, wenn er einen Impuls registriert. Das könnte im Unterricht durchaus als

störend empfunden werden.

Mit dem Computerprogramm (keine Pieptöne - von sofern ein Vorteil) könnte man

theoretisch dieselben Versuche durchführen, wie mit dem Experimentierkoffer.

Die Messungen mit dem Computer dauern zwar in der Regel recht lang, aber wenn man einen

Versuch schon am Beginn einer Unterrichtsstunde startet, so kann man dann am Ende der

Stunde die Ergebnisse gemeinsam mit den Schülern auswerten.

Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwähnt ist es wichtig, dass die Schüler

bereits über das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfügen. Dieses

Thema sollte aber in der 8. Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden

sein. Der Physiklehrer sollte unter Umständen den Mathematiklehrer der Klasse fragen, ob

diese Verteilungen durchgenommen wurden, oder ob sie ausgelassen wurden. Wurden sie

ausgelassen, so ist es unbedingt notwendig, eine kurze Einführung über diese Verteilungen im

Physikunterricht zu geben.

Ohne dieses Wissen wird es den Schülern nicht möglich sein, den physikalischen Hintergrund

dieser Versuche vollständig zu verstehen.

Die oben angeführten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmöglichkeit geben, denn es ist in

der Schüle nicht möglich, alle obigen Versuche durchzuführen. Auf die grundlegenden

Versuche würde ich allerdings nicht verzichten.

Anmerkung zum Protokoll: Das Protokoll ist etwas lang geraten. Das liegt aber daran, dass

wir für die Versuche 2 ½ Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivität so viele

unterschiedliche Versuche bietet.

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Verwendete Bücher:

Physik 4 (Oberstufe), (Kraker, Paill)

Physikbuch 4. Klasse (Oberstufe) (Sexl)

VII. Literatur

Basiswissen 4 (Jaros, Nussbaumer, Kunze) – Hölder-Pichler-Tempsky, Wien

Internetlinks:

www.mpi-hd.mpg.de/Arbeitsicherheit/allgemein.html

www.ibl-hamburg.com/aa/deu/ de

Mappen:

Österreichische Kerntechnische Gesellschaft: Versuche zur Radioaktivität

Kernphysikalische Experimente: Radioaktivität im Unterricht

Experimente zur Schulphysik: Teilgebiet 14, M. Bernhard, s. Jezik

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Inhalt des Experimentierkoffers:

1 Digitalzähler mit Netzgerät

1 Geiger-Müller Zählrohr

1 Cs-137-Quelle

1 Am-241-Quelle

1 Quellenhalterung

1 Zählrohrhalterung

1 Grundplatte

1 Hartpapierplatte ("PERTINAX") 0,5 mm

1 Plexiglasplatte ("ACRYL") 5 mm

1 Plexiglasplatte ("ACRYL") 3 mm

1 Aluminiumplatte mit großem Loch (Halterung)

1 Aluminiumplatte 0,5 mm

1 Aluminiumplatte 5 mm

1 Eisenplatte 0,5 mm

1 Eisenplatte 5 mm

1 Bleiplatte 1 mm

4 Bleiplatten 3 mm

1 Bleiplatte 5 mm

5 Aluminium Haushaltsfolien

1 Magnet

1 Polyesterplatte mit verkupferten Bleikugeln

1 Kunststoffbehälter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) *)

1 Rolle Selbstklebeband

1 Versuchsbeschreibung

1 Nuklidkarte (faltbar)

2 Aluminiumstäbchen (als Halterung)

*) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der

Grundplatte um 45° für den Lehrbetrieb. Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer !

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Der Inhalt des Koffers auf einen Blick:

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FOLIEN

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Das Ionisationsvermögen radioaktiver Strahlung

-Strahlung

- -Strahlung

+ -Strahlung

Ein langsames Neutron

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Ein schnelles Neutron

Ein niederenergetisches Photon

Ein mittelenergetisches Photon

Ein hochenergetisches Photon

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DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU):

Verlauf der Poissonverteilung:

Verlauf der Exponentialverteilung:

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