Das β-Spektrometer — Messung der kontinuierlichen ...

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Versuch 27 - β-Spektrometer Seite 21 Aufgabenstellung1. Nehmen Sie mit Hilfe des β-Spektrometers die kontinuierliche Energieverteilungvon 90 Sr und 22 Na auf.2. Stellen Sie die gemessenen Spektren mit Excel grafisch dar, indem Sie die Zählratenin Abhängigkeit des Impulses p und der kinetischen Energie E kin derβ-Teilchen auftragen.3. Vergleichen Sie die grafisch bestimmten Maximalenergien E max der β-Teilchenmit den entsprechenden Literaturwerten.4. Diskutieren Sie Unterschiede und Auffälligkeiten der aufgenommenen Spektren.Abb. 1: Versuchsaufbau des β-Spektrometers.2 Grundlagen2.1 β-StrahlungBeim Zerfall instabiler Atomkerne wird Energie in Form ionisierender Strahlung frei.Man unterscheidet zwischen drei Arten radioaktiver Strahlung: α-, β- und γ-Strahlung.β-Strahlung entsteht beim radioaktiven β-Zerfall von Atomkernen, die mehr oderweniger Neutronen besitzen, als zur Stabilität nötig ist [2].86
Versuch 27 - β-Spektrometer Seite 3Kerne mit Neutronenüberschuss sind in der Regel β − -Strahler. Bei diesem Kernprozesswandelt sich ein Neutron n unter Emission eines Elektrons e − und eines Antineutrinosν in ein Proton p um:n −→ p + e − + ν β − -Strahlung .Kerne mit Protonenüberschuss sind β + -Strahler. Hier zerfällt ein Proton p in ein Neutronn unter Emission eines Positrons e + und eines Neutrinos ν:p −→ n + e + + ν β + -Strahlung .Durch Messungen mit magnetischen Spektrometern konnte schon 1914 vom englischenPhysiker Sir James Chadwick gezeigt werden, dass Kerne bei β-Umwandlungen Teilchenmit einer kontinuierlichen Energieverteilung aussenden [3].Der Grund dafür ist, dass sich die beim Zerfall freiwerdende Energie statistisch aufdie beiden emittierten Teilchen verteilt. Das Spektrum der β-Teilchen (e − bzw. e + )erstreckt sich daher kontinuierlich bis zu einem Maximalwert E max , bei dem das (Anti-)Neutrino keine und das β-Teilchen die maximale kinetische Energie erhält. Der Kernübernimmt dabei wegen seiner wesentlich größeren Masse fast keine Rückstoßenergie.Die Maximalenergie E max des Spektrums ist die zu ermittelnde charakteristische Größeeines β-Strahlers.Die radioaktiven PräparateIn Abb. 2 sind die Zerfallsschemata der verwendeten Präparate Strontium 90 Sr undNatrium 22 Na dargestellt.Das langlebige Isotop 90 Sr zerfällt zu Yttrium 90 Y, welches sich ebenfalls über einenβ − -Zerfall in das stabile Nuklid Zirconium 90 Zr umwandelt. Es entsteht ein überlagertesMischspektrum, bei dem das β − -strahlende 90 Sr durch 90 Y, dessen Zerfallsenergie ca.viermal so groß ist, verstärkt wird.Das Isotop 22 Na zerfällt mit einer Wahrscheinlichkeit von 90,49% unter Emissionvon β + -Strahlung in den angeregten Zustand von Neon 22 Ne ∗ . Mit einem Prozentsatzvon 9,46% wandelt sich 22 Na unter Elektroneneinfang 1 (EC) um, wobei dieser Prozessnicht registriert wird. Durch Emission eines γ-Quants geht 22 Ne ∗ in den stabilenGrundzustand über.1 Alternativ zum β + -Zerfall kann auch Elektroneneinfang auftreten. Dabei wird ein Hüllenelektrone − (meist aus der innersten K-Schale) von einem Proton „eingefangen“, das sich unter Emissioneines Neutrinos in ein Neutron umwandelt: p + e − −→ n + ν .87
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WISSENSCHAFTLICHE ARBEITFÜR DAS ST
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2. Physikalische Grundlagen2.1. Die
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2.2 Stabile und instabile Kerne2.2.
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2.3 Der β-Zerfall2.3.2. Zerfallspr
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2 Physikalische Grundlagenβ + -Zer
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2 Physikalische GrundlagenAbb. 2.8.
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2 Physikalische GrundlagenVor dem Z
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2 Physikalische GrundlagenFormt man
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2 Physikalische GrundlagenAbb. 2.14
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3 Das β-Spektrometer3.1.3. Physika
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3 Das β-Spektrometer3.1.4. Energie
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