Physikalisches Praktikum f¨ur Physiker - Physikalisches Institut

Auswertung
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Natürliche Radioaktivität
2. Messen Sie den Untergrund mit geschlossener Bleitür. Sie benötigen insbesondere bei
der Messung schwacher Quellen dieses Leerspektrum, das sie vom Bruttospektrum
subtrahieren müssen.
3. Nehmen Sie ein γ-Spektrum von einer Probe Ihrer Wahl auf.
4. Bestimmen Sie die natürliche Dosisleistung im Praktikumsraum. Aus Gewichtsgründen
kann die Bleiabschirmung nicht ohne weiteres entfernt werden. Daher ist ein
Untergrundspektrum, welches 2 Stunden ohne Bleiabschirmung aufgenommen wurde,
auf der Festplatte unter dem Namen ”
untergrund.histo“ abgespeichert. Analysieren Sie
das Spektrum in der Auswertung (siehe Hinweise dort).
6. Auswertung
Die Auswertung kann zum großen Teil mit dem Messprogramm während des Versuchstermins
vorgenommen werden. Sie sollten aber auch alle gemessenen Spektren speichern,
per E-Mail, USB-Stick o.ä. nach Hause transferieren und dort mit einem Programm Ihrer
Wahl (z.B. einem Tabellenkalkulationsprogramm) auswerten. Nähere Hinweise zum Messprogramm
”
HisTueGram“ finden Sie im Anhang zu dieser Anleitung.
1. Kalibrierung: Die horizontale Achse ist zunächst nur in äquidistante Kanäle aufgeteilt,
die γ-Energien zugeordnet werden müssen. Da lediglich bekannt ist, dass ein
linearer Zusammenhang E γ = E off + v × c zwischen Kanalnummer c und der Energie
E γ besteht, müssen die unbekannte Verstärkung v und der mögliche Energieoffset E off
(hat elektronische Ursachen) aus Strahlern bekannter Energie bestimmt werden. Mit
zwei bekannten Energien lässt sich bereits eine Kalibrierung durchführen, bei lediglich
einer Energie wird E 0 = 0 angenommen. Der Menüpunkt ”
Kalibrierung“ bietet
zwei Möglichkeiten: Ein Kalibrierungspeak kann mit oder ohne Berücksichtigung des
Untergrundes ermittelt werden. Die erste Variante empfiehlt sich, wenn der Peak auf
einem stark abfallendem Untergrund sitzt.
2. Energiebestimmung: Bestimmen Sie die wichtigsten Peakenergien in der Probe
Ihrer Wahl! Die Energiezuordung ist (sofern Sie weder Hochspannung noch
Verstärkung geändert haben) identisch mit der Kalibrierungsprobe. Welche Nuklide
können Sie identifizieren? Für besonders Sportliche: Unter der Adresse
http://www.nndc.bnl.gov finden Sie NUDAT, die Datenbank für sämtliche
bekannten γ–Linien instabiler Nuklide. Bei der Suche nach einem Nuklid geben Sie
möglichst viele Einschränkungen an (Halbwertszeit, Massenzahl, möglichst genaue
Energie), sonst erhalten Sie zu viele irrelevante Antworten. Da unsere Proben im Wesentlichen
natürliches Uran bzw. Thorium oder 226 Ra (Leuchtziffern) enthalten, sollten
auch diese Nuklide und die Tochterkerne in der jeweiligen Zerfallskette zu finden sein.
3. Aktivitätsbestimmung: Vergleichen Sie gemessene und erwartete Aktivität von 40 K.
Aus dem Spektrum der KCl–Messung (abzüglich der Leermessung) bestimmen Sie
die Anzahl der γ–Quanten an, die aus dem Zerfall von 40 K stammen. Diese kann man
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vereinfacht durch Integration über das gesamte Spektrum ermitteln. Die erwartete Aktivität
ergibt sich aus der Zerfallsgleichung, wenn man Halbwertszeit und Stoffmenge
berücksichtigt. Wieviele 40 K–Kerne zerfallen pro Sekunde, wieviele davon unter Aussendung
eines γ-Quants? Vergleichen Sie diesen Wert mit dem von Ihnen gemessenen.
Woher kommt der Unterschied? Folgende Vorgehensweise ist empfehlenswert:
• Wieviel Mol K sind in 300 g KCl enthalten? Wieviele Atome sind dies? Der Anteil
der radioaktiven 40 K–Kerne am natürlichen Kalium–Isotopengemisch beträgt
1.17 · 10 −4 .
• Wieviele 40 K–Kerne zerfallen pro Sekunde? (τ 1/2 = 1.28·10 9 a). Wieviele davon
zerfallen unter Aussendung eines γ–Quants?
• Wieviele Zerfälle haben Sie nachgewiesen? Welchem Prozentsatz des theoretischen
Werts entspricht das? Was sind die Ursachen der Reduktion?
• Ein großer Teil der Ursachen kann quantitativ erfasst werden, so dass die Unsicherheit
zum Schluss max. 50 % betragen sollte.
Falls Sie zur Kalibrierung 22 Na verwendet haben, so lassen Sie sich das Kalium-
Spektrum von Ihren Mitarbeitern geben.
4. Dosisabschätzung: Aus dem Spektrum ”
untergrund.histo“ lässt sich die natürliche
Strahlenbelastung (in mSv/a) durch γ–Strahlung bis ca. 2 MeV bestimmen. Gehen Sie
dabei wie folgt vor:
• Die Meßzeit betrug 2 Stunden.
• Nehmen Sie an, dass in dem Kristall jedes γ–Quant nachgewiesen wird und dass
auch der Mensch einen Großteil der niederenergetischen γ–Quanten absorbiert.
• Berechnen Sie die Masse des NaI–Kristalls.
• Die nachgewiesene Gesamtenergie ergibt sich durch Summation über alle
Kanäle:
∑1023
E = N i · E i ,
wobei E i und N i die einzelnen Energien bzw. Inhalte der Kanäle sind.
i=0
Ermitteln Sie zum Vergleich die zusätzliche Jahresdosis, wenn Sie die Probe Ihrer
Wahl (z.B. die Armbanduhr) ständig am Körper tragen würden. Gehen Sie beim NaI-
Detektor von 100 %, beim Ge(Li)-Detektor von 2 % Nachweiswahrscheinlichkeit aus.
Warum unterscheidet man im Strahlenschutz zwischen Ganzkörperdosis und Gewebedosis?
Geben Sie an, welche Art von Dosis Sie ermittelt haben.
7. Fragen zum Versuch
1. Wie ist die Einheit keV in SI-Einheiten definiert?
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