Radioaktivität Version vom 28. Februar 2019 · Radioaktivität, Halbwertszeit,...

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Radioaktivität

Version vom 28. Februar 2019

LW6 Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Lehr/Lernziele 2

2 Radioaktiver Zerfall - Halbwertszeit von Kupfer 22.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2.1.1 Begri�e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.2 Radioaktive Strahlung und Aktivität . . . . . . . . . . . . . . . . 22.1.3 Das Zerfallsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1.4 Biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung . . . . . . . . . . 42.1.5 Verhaltensregeln beim Umgang mit radioaktiven Sto�en . . . . . 52.1.6 Nuklidkarte - Abschätzung der körpereigenen Radioaktivität . . . 5

2.2 Aufgabenstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.3 Versuchsaufbau und Durchführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.3.1 Geiger-Müller-Zählrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.2 Impulszähler S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.3.3 Manuelle Messung der Hintergrundstrahlung . . . . . . . . . . . . 92.3.4 Messung der Halbwertszeit von Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4 Hinweise zum Protokoll und zur Fehlerrechnung . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Abschirmung ionisierender Strahlung 123.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.1.1 Begri�e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.1.2 Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie . . . . . . . . 123.1.3 Wechselwirkung von Strahlung geladener Teilchen mit Materie . . 133.1.4 Abschwächung und Reichweite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.1.5 Die Cs-137 Mischquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15


4 Das Abstandsgesetz für punktfömige Strahler 184.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4.1.1 Begri�e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184.1.2 Das Abstandsgesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18


4.3.1 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3.2 Vorgangsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.3.3 Die Radiumquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.4 Hinweise zum Protokoll und zur Fehlerrechnung . . . . . . . . . . . . . . 21

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5 Reichweite von Alpha-Strahlen in Luft 215.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.1.1 Begri�e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215.1.2 Ausbreitung von Alpha-Strahlen in Luft . . . . . . . . . . . . . . 225.1.3 Der Halbleiterdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225.1.4 Die Nebelkammer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23


5.3.1 Bestimmung der Reichweite mit der Nebelkammer . . . . . . . . . 245.3.2 Reichweitenbestimmung mit dem Halbleiterdetektor - freiwilliges

Teilexperiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

LW6 1 Lehr/Lernziele

1 Lehr/Lernziele

• Grundlegende experimentelle Arbeitsmethoden kennenlernen.

• Richtiges Protokollieren üben.

• Umgang mit radioaktiven Substanzen üben.

• Nuklidkarten benutzen lernen.

• Auswertungen mit poissonverteilten Messgröÿen machen können.

• Techniken der Auswertung von Messkurven üben (z.B. optimale graphische Auf-tragung von Messergebnissen, Kurvenanpassung)

2 Radioaktiver Zerfall - Halbwertszeit von Kupfer

2.1 Grundlagen

2.1.1 Begri�e

Radioaktivität, Halbwertszeit, Neutronenaktivierung, Höhenstrahlung, natürliche Strah-lenbelastung, Dosimetrie, Qualitätsfaktor, Aktivität, Geiger-Müller-Zählrohr, Nuklidkar-te

2.1.2 Radioaktive Strahlung und Aktivität

Natürliche und künstliche radioaktive Elemente führen Zerfallsprozesse durch und emit-tieren dabei ionisierende Strahlung. Diese wird als α-, β- oder γ-Strahlung bezeichnet.

α-Strahlung besteht aus 2-fach positiv geladenen Heliumkernen. Auf Grund der groÿenMasse beträgt die Strahlungsenergie des α-Zerfalls einige MeV.

β-Strahlen bestehen aus Elektronen (β−-Zerfall) oder Positronen (β+-Zerfall ). β+ trittvorwiegend beim Zerfall künstlicher radioaktiver Elemente auf. Meist bleibt der Kernnach α- bzw. β-Zerfall in einem angeregten Zustand zurück. Das kann einen weiterenZerfall zur Folge haben, oder zu einem Übergang in den Grundzustand unter Energie-

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LW6 2 Radioaktiver Zerfall - Halbwertszeit von Kupfer

abgabe führen.

γ-Strahlen sind Photonen, die eine Frequenz ν besitzen, (elektromagnetische Strahlung)mit hohen Energien hν. Sie entstehen bei Kernzerfällen (α− oder β− Zerfall) beimÜbergang von angeregten Kernen (= Zerfallsprodukten) in den Grundzustand, eventuellsogar in mehreren Schritten. Ein Beispiel hierfür ist etwa der Zerfall von Na-22, sieheAbb. 1. Hier zerfällt ein Na-22 Kern (β+-Zerfall)unter Aussendung eines Positrons miteiner Energie von 546 keV in ein angeregtes Ne-22 Atom, das unter Aussendung einesPhotons (γ-Quant) mit der Energie von 1275 keV in den Grundzustand übergeht. DasPositron reagiert sofort mit seinem Antiteilchen, dem Elektron aus umgebender Materieund es entstehen 2 Photonen (γ-Quanten) aus der Paarvernichtung mit der Energie vonje 511 keV.

Abbildung 1: Das Zerfallsschema von Na-22

Die Anzahl der radioaktiven Zerfälle pro Zeiteinheit heiÿt Aktivität A. Ihre Einheit,Bequerel (Bq), ist nach A. H. Becquerel (1834 - 1908), dem Entdecker der Radioaktivität,benannt. 1 Bq ist 1 Zerfall pro Sekunde, unabhängig von der Art des Zerfalles.

2.1.3 Das Zerfallsgesetz

Der radioaktive Zerfall von Atomkernen ist ein rein statistischer Prozess: die Zerfalls-wahrscheinlichkeit ist für jeden Kern gleich groÿ. Daher ist die Anzahl der Zerfälle proSekunde proportional zur gesamten Anzahl N(t) der Kerne [?, S. 46]:

dN(t)

dt= −λN(t).

Die (Material-)Konstante λ heiÿt Zerfallskonstante, ihr Kehrwert τ = 1/λ mittlere Le-bensdauer. Integration obiger Gleichung führt zum Grundgesetz des radioaktiven Zer-falls:

N(t) = N(0) · exp(−λt) (1)

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Daraus erhält man für die Aktivität A:

A =

∣∣∣∣dN(t)

dt

∣∣∣∣ = λN(t) (2)

Die Aktivität - und nach Gl. 2 auch die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne - sinktauf die Hälfte ihres Wertes in einer Zeit T1/2, der Halbwertszeit. Aus Gl. 1 erhält manfür N(t)/N(0) = 1/2:

T1/2 = τ · ln 2 =ln 2

λ. (3)

2.1.4 Biologische Wirkung der radioaktiven Strahlung

Radioaktive Strahlung hat auf lebende Substanzen eine ionisierende Wirkung, die zurBildung von freien Radikalen (diese wirken als Zellgifte) und/oder zu einer Zerstörungder Erbsubstanz (DNS) führt. Die Spannweite der Schädigung reicht von der Schädigungder DNS bis zum Tod der betro�enen Zelle.

Der Mensch besitzt kein Sinnesorgan für radioaktive Strahlung und ist daher zur De-tektion auf technische Hilfsmittel angewiesen. Deswegen ist beim Umgang mit solchenSto�en auf entsprechende Sorgfalt zu achten! Der Strahlenschutz befasst sich mit denAuswirkungen ionisierender Strahlung auf biologische Systeme. Ein zentraler Begri� imStrahlenschutz sind die Energiedosis D und die Energiedosisleistung D. D ist de�niertals diejenige Energie, die von 1 kg der absorbierenden Substanz aufgenommen wird.Ihre Einheit ist das Gray (Gy), mit der Dimension Gy = J/kg. Die Einheit von D istGy/s = W/kg.

Um die biologische Wirkung der unterschiedlichen Strahlungsarten und Energien verglei-chen zu können, wurde der Begri� der Äquivalentdosis H eingeführt. Diese ergibt sichdurch die Multiplikation von Energiedosis D mit einem dimensionslosen Bewertungsfak-tor q, der angibt um wieviel die biologische Wirkung einer bestimmten Strahlung gröÿerist, als die von γ- oder Röntgenstrahlung. Die Einheit für H ist Sievert (Sv = J/kg),benannt nach dem schwedischen Radiologen Sievert. Diese Gröÿe wird vom Gesetzge-ber verwendet, um für die verschiedenen Bevölkerungsgruppen Grenzwerte vorzugeben(Strahlenschutzverordnung).

Eine umfassende Darstellung der wichtigsten Wechselwirkungsprozesse zwischen Strah-lung und Materie �nden sie z.B. in Ref. [?, Kapitel 4] oder [?].

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2.1.5 Verhaltensregeln beim Umgang mit radioaktiven Sto�en

Um eine Gefährdung auszuschlieÿen, sind beim Umgang mit radioaktiven Substanzenverschiedene Vorsichtsmaÿnahmen unbedingt einzuhalten.

• Im Bereich, in dem mit radioaktiven Präparaten hantiert wird, ist Essen und Trinkenausnahmslos verboten.

• Das Entfernen der radioaktiven Substanzen (Radiumquelle und Kupferprobe etc.)aus dem Labor ist verboten.

• Nach dem Ende der Messung muss das Vorhandensein der Präparate von der Be-treuerin/dem Betreuer kontrolliert werden!

Speziell für das Kupferpräparat:

• Kupferpräparat vom Betreuer/von der Betreuerin in den Bleibehälter einbringenlassen.

Speziell für das Radiumpräparat:

1. Stellen Sie das Radiumpräparat während der Messung so auf, dass der Strahlenkegelvon Ihnen weg zeigt.

2. Nach Ende der Experimente das Präparat wieder in das Glasgefäÿ (Abb. 5) zurück-geben und von der Betreuungsperson in den Safe stellen lassen.

Generell zu empfehlen sind folgende 3 Maÿnahmen zum Strahlenschutz (in dieser Rei-henfolge). Setzen Sie sich einer Strahlungsquelle nur in groÿer Entfernung aus, für einemöglichst kurze Zeitdauer und mit entsprechender Abschirmung.Alle drei Schutzmaÿnahemn werden Sie auf Basis der Experimente dieser Kurseinheitbeurteilen können.

2.1.6 Nuklidkarte - Abschätzung der körpereigenen Radioaktivität

"Die Nuklidkarte ist eine gra�sche Darstellung aller bekannter Nuklide (Atomkerne). Sieist in der Kernphysik von ähnlicher Bedeutung wie das Periodensystem in der Chemie.

Da ein Nuklid durch die Anzahl seiner Protonen und Neutronen bestimmt ist, bietet sicheine zweidimensionale Darstellung an: Die Anzahl der Protonen wird konventionsgemäÿnach oben, die der Neutronen nach rechts aufgetragen. Damit sind in den Reihen die

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Nuklide mit gleichen chemischen Eigenschaften (Isotope) angeordnet, in den Spalten dieNuklide mit konstanter Neutronenzahl (Isotone) und von links oben nach rechts untendiagonal die Nuklide mit konstanter Nukleonenzahl (Isobare) angeordnet.

Die Nuklidkarte listet die wichtigsten Eigenschaften der Nuklide auf, wie die Halbwerts-zeit, Zerfallsart, Zerfallsenergie und Isomere. Oft werden die Nuklide nach ihren Zerfalls-eigenschaften (stabil, radioaktiv, Zerfallsart, Halbwertszeit) farblich markiert.�(Zitat aus [?])

Aufgabe: Mit Hilfe der beim Experiment au�iegenden Nuklidkarte schätzen Sie diekörpereigene Radioaktivität ab! K-40 liefert den wichtigsten Beitrag körpereigener Sub-stanzen zur radioaktiven Belastung des Menschen. Kalium be�ndet sich vorwiegend inder Interzellulär�üssigkeit mit einer Konzentration von 150 mmol/l. Ein Mensch mit 70kg Gewicht hat ca. 140 g Kalium insgesamt im Körper. Davon ist nur ein kleiner AnteilK-40 (siehe Nuklidkarte und Abb. 2).

Abb. 2 zeigt in einem Ausschnitt aus der Nuklidkarte die wichtigsten Kalium-Isotope.Unterhalb des Isotopennamens �nden Sie den Anteil des Isotops am natürlich vorkom-menden Element (hier: Ka) in Prozent. Bei radioaktiven Isotopen ist darunter die Halb-wertszeit angegeben. Die weiteren Angaben betre�en die Art des Zerfalles, sowie dieWirkungsquerschnitte; letztere sind für Sie belanglos.

Vorgehensweise: a) Berechnen Sie die Menge von K-40 im Körper, b) Vergleich mitdem Molgewicht von K-40 ergibt die Anzahl der K-40-Atome im Körper, c) aus derHalbwertszeit folgt die Zerfallskonstante λ, d) Einsetzen in Gl. 2 ergibt die gesuchteAktivität.

Abbildung 2: Die wichtigsten Kaliumisotope in der Nuklidkarte.

2.2 Aufgabenstellung

1. Schätzen Sie mit Hilfe einer Nuklidkarte die körpereigene Radioaktivität ab. (Daskönnen Sie schon zuhause als Vorbereitung auf die Praktikumseinheit machen,dann sparen Sie sich wertvolle Arbeitszeit im Praktikum!)

2. Messen Sie die radioaktive Hintergrundstrahlung im Bleibehälter.

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Abbildung 3: Messanordnung zur Bestimmung der Hintergrundstrahlung und derHalbwertszeit von Kupfer. Mit dem Geiger-Müller-Zählrohr (GM-Zählrohr) wird die Aktivität im Bleigefäÿ einmal mit und einmal ohneCu-Probe gemessen.

3. Messen Sie die Aktivität einer Kupferprobe als Funktion der Abklingzeit in Inter-vallen von 10 Minuten.

4. Tragen Sie die 10-Minuten-Zählraten als Funktion der Zerfallszeit auf.

5. Bestimmen Sie durch eine Kurvenanpassung die Zeitkonstante τ bzw. die Zerfalls-konstante λ und hieraus die Halbwertszeit T1/2.

2.3 Versuchsaufbau und Durchführung

Die Experimente zur Messung der Hintergrundstrahlung und der Aktivität der Kupfer-probe machen Sie im Bedarfsfall gemeinsam mit einer Gruppe aus dem Praktikum II(Bachelorstudium Physik). Die Auswertung der Daten und die Abschätzung der kör-pereigenen Radioaktivität erfolgt selbständig.

Der Messaufbau besteht aus einem Bleibehälter, der die Cu-Probe enthält, einem Geiger-Müller-Zählrohr und einem Impulszähler S (Abb. 3).

Der Bleibehälter schirmt die natürliche Hintergrundstrahlung (Höhenstrahlung, radioakti-ve Substanzen in der Umgebung) während der Messung ab. Die äuÿerst geringe Aktivitätder Cu-Probe würde sonst im Rauschen untergehen.

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Abbildung 4: GM-Zählrohr. 1...Zählrohr, 2...Eintrittsfenster, 3...Schutzkappe, 4...An-schlusskabel.

2.3.1 Geiger-Müller-Zählrohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr (GM-Zählrohr) gehört zu den gasgefüllten Ionisationsde-tektoren. Die Wirkungsweise beruht auf dem Nachweis elektrischer Ladungen, die beimDurchgang ionisierender Strahlung durch das Zählrohr durch Stoÿionisation entstehen.Bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes werden positive und negative Ionen vonein-ander getrennt, sodass keine Rekombination statt�nden kann. Die Ladungen werden anden jeweiligen Elektroden gesammelt und bewirken ein nachweisbares elektrisches Signal.Wird die Spannung zwischen den Elektroden erhöht, so werden die Elektronen so starkbeschleunigt, daÿ sie sekundäre Ionisations-Prozesse auslösen, wodurch die Anzahl derIonen sprunghaft ansteigt. Dies wird Gasverstärkung genannt. Beim GM-Zählrohr ist dieGasverstärkung so groÿ, daÿ bereits einzelne Ionenpaare eine Lawine an Sekundärprozes-sen auslösen und somit zu messbaren Impulsen führen. Das hier verwendete GM-Zählrohr(Abb. 4) ist selbstlöschend und detektiert alle Arten von radioaktiver Strahlung. Vor-sicht! Das sehr emp�ndliche Eintrittsfenster (2) aus Glimmer (siehe dazu Abb. 4) istdurch eine Plastikkappe (3) geschützt, die vor der Messung entfernt und nach der Mes-sung wieder aufgesteckt wird. Bei mechanischer Beschädigung des Eintrittsfensters wirddas Zählrohr funktionsunfähig!

2.3.2 Impulszähler S

Dieses Zählgerät (Abb. 5) kann die Impulse eines GM-Zählrohrs während einer vorgege-benen (100 s, 60 s, 10 s) oder manuell wählbaren Messzeit registrieren (= Summieren).Der Anschluss erfolgt über die Buchse (3), die das Zählrohr mit Hochspannung versorgt.Je nach gewünschter Messzeit ist Schalter (2) einzustellen. Der Beginn der Messung er-folgt durch Drücken der START-Taste (6). Ist mit Schalter (2) eine Messzeit festgelegt,so bleibt nach Beendigung der Messung der Messwert auf der Anzeige bis zum Drückender RESET-Taste (8) erhalten. Bei Verwendung einer manuellen Messzeit ist zum Be-

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Abbildung 5: Der Impulszähler S dient zur Registrierung und Anzeige der von den De-tektoren gemessenen Impulse. Links: Übersicht über die Bedienungsele-mente. Rechts: mögliche Stellungen des Schalters 2. Die für Sie wichtigenSchalter und Anschlüsse werden im Text erklärt.

enden des Messintervalls die STOP-Taste (7) zu drücken. Bei wiederholten Messungengleicher Zeit (100 s, 60 s, 10 s) kann ein Modus für automatische Messwiederholung gest-artet werden. Durch zweimaligen Druck auf die START-Taste (6) bleibt beim ersten Maldie Anzeige nach Ablauf der jeweiligen Messzeit (100s, 60s, 10s) stehen, bis die Messzeitdas nächste Mal erreicht ist. Erst danach wird der neue Wert sichtbar. Zur Beendigungder automatischen Messwiederholung muÿ die STOP-Taste (7) gedrückt werden. NachBeendigung des gerade laufenden Messintervalls bleibt das Messergebnis auf der Anzeigebestehen. Danach kann durch Drücken der RESET-Taste die Anzeige auf Null gesetztwerden.

2.3.3 Manuelle Messung der Hintergrundstrahlung

Durch die natürlichen radioaktiven Quellen (kosmische Strahlung, radioaktive Substan-zen der Umgebung) misst man mit dem GM-Zählrohr auch ohne Probe einige Impulsepro Minute, die als �Hintergrundstrahlung� bezeichnet werden. Die Hintergrundstrah-lung wird folgendermaÿen gemessen:

1. GM-Zählrohr in den Bleibehälter einbringen und mit dem Deckel verschlieÿen.

2. Zählrohr mit dem Impulszähler S verbinden und die Messdauer auf 100 Sekundenstellen.

3. Mindestens 5 Messungen durchführen, Mittelwert und Standardabweichung berech-nen.

Falls Sie auch schon die Hintergrundstrahlung computergestützt messen wollen, so müs-sen Sie analog zu Kapitel 2.3.4. �computergestützte Messung� vorgehen.

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2.3.4 Messung der Halbwertszeit von Kupfer

Natürliches Kupfer besteht hauptsächlich aus den stabilen Isotopen Cu 63 und Cu 65(siehe Nuklidkarte!). Die verwendete Kupferprobe wurde in einer Neutronenquelle akti-viert. Dabei fangen Cu-Kerne Neutronen ein und werden dadurch schwerer und instabil.Schätzen Sie mittels Nuklidkarte ab, welche radioaktiven Isotope durch Neutronenein-fang gebildet werden. Als Faustregel kann angenommen werden, dass die Wahrscheinlich-keit des Entstehens eines Isotopes desto gröÿer ist, je näher das Isotop am Ausgangsiso-top liegt. Der Zerfall dieser Isotope in den Ausgangszustand wird in diesem Experimentgemessen. Sie können die Messung manuell oder computergestützt (empfohlen!) durch-führen.

Manuelle Messung:

1. Die Probe und das Zählrohr werden vom Betreuer/der Betreuerin in das Bleigefäÿeingebracht.

2. Verbinden Sie das Zählrohr mit dem Impulszähler S. Schalter 2 wird in Stellung �man.�(manuell) gebracht (Abb. 5).

3. Durch START wird die Messung gestartet. Notieren Sie den Entnahmezeitpunkt derProbe, sowie den Zeitpunkt des Messbeginnes.

4. Lesen Sie in Abständen von 10 Minuten den Zählerstand ab. Die Messung dauert(fast) die gesamte Praktikumszeit, mindestens aber 4 Stunden.

Computergestützte Messung:

1.) Die Probe und das Zählrohr werden vom Betreuer/der Betreuerin in das Bleigefäÿeingebracht.

2.) Verbinden Sie das Zählrohr mit dem Impulszähler S. Schalter 2 wird in Stellung�man.� (manuell) gebracht (Abb. 5).

3.) Verbinden Sie den Zähler �Counter Ed� mit Hilfe des Bananenstecker-Kabels mitdem Impulszähler S (Buchsen 9 in Abb. 5). Achten Sie dabei auf die korrekte Polung!

4.) Stecken Sie die USB-Verbindung des Impulszählers aus (falls diese angesteckt ist).

5.) Vergewissern Sie sich, dass der Impulszähler 0 anzeigt und gestoppt ist (nicht zählt).

6.) Starten Sie das Messprogramm Measure und stecken Sie dann den USB-Verbindungdes Impulszählers an.

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7.) Kon�gurieren Sie nun de Messung in Measure. Wählen Sie den vorgegebenen Spei-cherort und Dateinamen und ein 600s Messintervall.Für eine genaue Anleitung zur Messung mit Measure lesen Sie das Dokument �Messenmit Cassy und Measure� in den Zusatzinformationen von LW6 auf der eLearning-Seitedes Anfängerpraktikums.

8. Drücken Sie zum Start der Messung die Start-Taste am Impulszähler S (einmal kurz)und dann sogleich Start im Programmfenster von Measure. Die Messung läuft, bis Siesie abbrechen (Stop drücken). Die gesamte Messzeit sollte etwa 3-4 Stunden betragen.Sie können inzwischen die anderen Messaufgaben dieses Beispieles bearbeiten.

Auswertung:

Für die Auswertung müssen Sie die *txt Datei in ein geeignetes Auswerteprogrammimportieren. Es ist eine csv-Datei, daher müssen Sie beim Import darauf achten, dassals Spaltentrennzeichen das Komma und als Dezimaltrennzeichen der Punkt verwendetwird. Die Messdaten enthalten die absolute Zeit in s seit 1970-01-01-00:00:00 Uhr. DieseInformation können Sie nutzen um Ihre Messdaten mit jenen der Vortagesgruppe zuvereinen (natürlich nur, falls diese dieselbe Probe gemessen hat).Die Zählraten müssen Sie jedoch selbst berechnen, da das Programm zu jedem Zeitpunktjeweils nur den kumulierten Zählwert aufnehmen kann.

Achtung: Der Wert der Hintergrundstrahlung (extrapoliert auf 10 Minuten Messdauer)muss von jeder errechneten Zählrate subtrahiert werden!

Tipp: Wählen Sie eine für die Auswertung günstige Auftragung der Daten. Beachten Siedazu das Zerfallsgesetz.

Um die Auswertung genauer zu machen, können auch Daten der Vorgängergruppe (fallsvorhanden) verwendet werden. Hinterlegen Sie auch eine Kopie Ihrer Daten für die nach-folgende Gruppe (Betreuer/in fragen, ob dies erforderlich ist).

2.4 Hinweise zum Protokoll und zur Fehlerrechnung

Die Halbwertszeit von Kupfer ist mit Abschätzung der Unsicherheit anzugeben. ErklärenSie auch die Methode ihrer Unsicherheits-Abschätzung. Falls Sie zur Auswertung dasProgramm QTI-Plot (oder ein gleichwertiges Programm) verwendet haben, so könnenSie die Unsicherheit der Parameter der Kurvenanpassung verwenden.

Diskutieren Sie das Ergebnis anhand der Nuklidkarte. Welche Isotope tragen am wahr-scheinlichsten zu ihrem Ergebnis bei? Führen Sie ihre Argumente an. (Tipps: DurchNeutronen-Einfang werden die beiden Haupt-Isotope schwerer! Isotope mit kleinen Halb-wertszeiten tragen zum Messergebnis nichts bei.)

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LW6 3 Abschirmung ionisierender Strahlung

3 Abschirmung ionisierender Strahlung

3.1 Grundlagen

3.1.1 Begri�e

Wechselwirkung von ionisierender Strahlung mit Materie, innerer und äuÿerer Pho-toe�ekt, Comptone�ekt, Streuung, Sekundärstrahlung, Massenschwächungskoe�zient,Halbwertsdicke

3.1.2 Wechselwirkung von Gammastrahlung mit Materie

In Folge werden nur jene Wechselwirkungen behandelt, bei denen es zu einem Energie-verlust der Photonen kommt. Elastische Streuung ohne Energieverlust existiert natürlichauch, trägt jedoch nur zu Richtungsänderungen der Strahlung bei, nicht aber zur Ab-schwächung.

Comptonstreuung

Bei Compton-Streuung verliert das einfallende Photon Energie an ein quasi-freies (bzw.frei bewegliches) Elektron und ändert seine Richtung. Das Elektron wird dabei beschleu-nigt und manchmal aus seiner Hülle gestoÿen (lokale Ionisation), wobei es jedoch in un-mittelbarer Umgebung wieder wechselwirkt (gebremst wird) und dabei Bremsstrahlung(kontinulierliche Gammastrahlung im Röntgenbereich) als Sekundärstrahlung emittiertwird.

Photoionisation - äuÿerer Photoe�ekt

Hierbei gibt das einfallende Photon Energie an ein Elektron der Atomhülle ab, ionisiertes und das Elektron wird so stark beschleunigt, dass es den Absorber verlässt. Dieser Vor-gang wird auch (äuÿerer) Photoe�ekt genannt. Als Sekundärstrahlung tritt β−-Strahlung(=Elektronen-Strahlung) aus dem Photoe�ekt und Gammastrahlung (charakteristische,diskrete Röntgenstrahlung), durch Energieemission bei der Nachbesetzung des frei ge-wordenen Energieniveaus mit Elektronen aus äuÿeren Schalen, auf.

Inelastische Streuung - innerer Photoe�ekt

Die Energie des einfallenden Photons kann auch zur Anregung eines äuÿeren Elektronsauf ein höheres Energieniveau verwendet werden, was auch als innerer Photoe�ekt be-zeichnet wird.

Paarbildung

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Die Bildung eines Materie-Antimaterie-Paares ist eine Wechselwirkung des einfallen-den Photons mit dem Coulombfeld des Atomkerns. Gammaquanten mit Energien grö-ÿer 1,022 MeV materialisieren in diesem Prozess z.B. zu einem Elektron-Positron-Paar.Das Elektron wechselwirkt als sekundäre Elektronen-Strahlung mit der Umgebung, dasPositron annihiliert (zerstrahlt) mit einem Elektron aus der Umgebung in zwei Gam-maquanten zu je 511 keV.

Kernphotoreaktionen

Wenn ein einfallendes Photon vom Atomkern absorbiert wird, wird dieser auf ein hö-heres Energieniveau gehoben (angeregt). Angeregte Kerne emittieren entweder charak-teristische Gammastrahlung, oder zerfallen unter Aussendung von α-, β- oder Cluster-1

Strahlung.

3.1.3 Wechselwirkung von Strahlung geladener Teilchen mit Materie

Die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Wechselwirkungen zwischen Absorber und Elektro-nen (β−-Strahlung) bzw. Heliumkernen (α-Strahlung) kommt, ist wesentlich gröÿer alsbei Photonen. Daher haben sie auch eine deutlich geringere Reichweite. Die gröÿeren,schwereren und geladenen Teilchen wechselwirken mit dem Coulombfeld der Atomhülleund des Kerns und geben so ihre Energie in zahlreichen aufeinanderfolgenden Streupro-zessen ab, was letztlich dazu führt, dass die Energie gröÿtenteils in Wärme umgewandeltwird. In Folge sind nur jene Wechselwirkungen angeführt, die zu einer Energieabnahmedes einfallenden Teilchens führen.

Inelastische Streuung an der Atomhülle

Hierbei kommt es zum inneren und äuÿeren Photoe�ekt (vgl. letztes Unterkapitel), wobeimechanische Energie in inelastischen Stöÿen übertragen wird. Kommt es zur Ionisation,wechselwirkt das sekundäre Elektron sofort mit der Umgebung.

Inelastische Streuung an Atomkernen

Hierbei werden die geladenen Teilchen am Kern abgelenkt und es entsteht Bremsstrah-lung (kontinuierliche Röntgenstrahlung) als Sekundärstrahlung.

Inelastische Kernreaktion

Wechselwirkt ein geladenes Teilchen mit dem Atomkern (starke Wechselwirkung), soändert dieser seine Kernladungszahl, wird (mit hoher Wahrscheinlichkeit) instabil undzerfällt.

1Clusterstrahlung entsteht, wenn ein schwerer Kern in mehrere Endprodukte zerfällt und die Bruch-stücke gröÿer als Alphastrahlen sind).

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3.1.4 Abschwächung und Reichweite

Die Eindringtiefe von geladenen Teilchen in Festkörpern ist sehr gering. Dabei verbreitertsich ein Elektronenstrahl innerhalb des Absorbers im Gegensatz zum Alphastrahl stark.Alphastrahlen haben von allen 3 Strahlungsarten die am schärfsten de�nierte Reichweite(mehr dazu im nächsten Experiment).

Für die Abschwächung eines homogenen 2 (monoenergetischen), parallelen3 Bündels vonGammastrahlung4 mit der Intensität I0 in einem Absorber der Dicke d gilt das Abschwä-chungsgesetz für elektromagnetische Wellen (Lambert-Beer'sches Gesetz):

I(d) = I0 · e−µd (4)

Wobei µ der Abschwächungs- oder Absorptionskoe�zient ist. Dieser ist abhängig von derDichte ρ des Absorbermaterials und von der Strahlungsenergie der einfallenden Gam-mastrahlung. Er wird meist als Massenabschwächungskoe�zient µ/ρ angegeben.

Aquivalent dem Zerfallsgesetz kann hier eine �Halbwertsdicke� bestimmt werden, bei derdie Intensität der einfallenden Gammastrahlung auf die Hälfte ihres Ausgangswertesgesunken ist:

d 12

=ln2

µ(5)

In Abb. 6 �nden Sie unterschiedliche Abschwächungskoe�zienten für verschiendene Ma-terialien und Srahlungsenergien.

2homogen bedeutet hier: Gammastrahlung von gleicher Strahlungsenergie also z.B. von ca. 200 keVund nicht von Strahlungsenergien in mehreren Gröÿenordnungen, sonst gelten 2 oder mehr unter-schiedliche µ!

3Bei Strahldivergenz müssen Geometriefaktoren berücksichtigt werden.4Sekundärstrahlungse�ekte bleiben hier unberücksichtigt.

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Abbildung 6: Tabelle der Massenschwächungskoe�zienten [?].

3.1.5 Die Cs-137 Mischquelle

Für dieses Experiment wird eine Mischquelle aus Am-241 (A=4,44 kBq), Sr-90 (A=4,44kBq) und Cs-137 (A=333 kBq) verwendet. Alle Präparate sind �geschlossen�, also z.B.

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durch eine dünne Goldfolie umgeben, sodass kein radioaktives Isotop aus der Quelleaustreten kann, sondern nur die ausgesendete Strahlung.Americium-241 ist ein α-Strahler, der auch niederenergetische Gammaquanten (<100keV) aussendet. Strontium-90 ist ein reiner β-Strahler. Cäsium-137 ist ein β-Strahler:512 keV und ein γ-Strahler: 662 keV (siehe auch Abb. 7). Die Aktivität des Cs-137 ist 75Mal gröÿer als die der beiden anderen, es ist also das bei weitem dominanteste Isotop.

Abbildung 7: Zerfallsschema von Cs-137

Vergleichen Sie die Aktivität der Quelle mit der körpereigenene Aktivität, die Sie zuvorabgeschätzt haben, um abzuschätzen, ob die Strahlungsquelle gesundheitlich bedenklichist5. Beachten Sie alle in Kap.1 ausgeführten Sicherheitshinweise und stellen Sie immereine Bleiabschirmung zwischen Ihnen und der Probe auf!


1. Bestimmen Sie die Hintergrundstrahlung mit dem GM-Zählrohr im Bleikollimator.

2. Bestimmen Sie die Strahlungsintensität der Cs-137 Quelle in Abhängigkeit derAbsorberdicke (0-6 cm Aluminium).

3. Bestimmen Sie aus dem funktionalen Zusammenhang zwischen Intensität und Ab-sorberdicke aus einer linearen Regressionsfunktion den Abschwächungskoe�zien-ten µ von Aluminium.

4. Bestimmen Sie die Halbwertsdicke von Aluminium für die Cs-137 Quelle.

5Berücksichtigen Sie, dass die K-40 Aktivität nicht die einzige natürliche Quelle ist, deren Radioaktivi-tät ständig auf den Organismus einwirkt! Weitere Quellen sind die Höhenstrahlung, sowie radioaktiveSubstanzen im Boden, in der Luft und in vielen Baumaterialien

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Die Quelle ist auf einer Stahl/Blei-Platte befestigt (Abb. 8. rechts daneben be�ndet sichder Bleikollimator mit 3cm Aluminium als Filter für niederenergetische Gammastrah-lung, sowie Alpha- und Betastrahlung. Das GM-Zählrohr ist ebenfalls in einer Bleiab-schirmung um die Strahlung nach den Absorberplatten erneut zu kollimieren und denDosiseintrag durch Sekundärstrahlung zu verringern.

Abbildung 8: Messaufbau Abschwächungskoe�zient

Die Verwendung des Impulszählers S wurde in Kapitel 2 erklärt. Für dieses Experimentist ein festes Zeitintervall von 100 Sekunden geeignet um die Zählraten Ni aufzunehmen.Um die Absorberdicke von Aluminium zu variieren stehen Ihnen 1 cm dicke Aluminium-plättchen zur Verfügung mit einer Dichte von ρ = (2, 678 ± 0, 006)g cm−3. Nehmen SieMessreihen geeigneten Umfangs n auf. Für die Hintergrundintensität muss mindestensn=5 gewählt werden. Es emp�ehlt sich zur Verringerung des Ein�usses diverser Se-kundärstrahlungse�ekte (Dosiseintrag, Strahlaufweitung etc.) für jede Schichtdicke einindividuelles I0(d) zu bestimmen.

Beachten Sie, dass stochastische Prozesse, wie die Zeitabstände von Kernzerfällen (undsomit auch deren Zählraten Ni in einem festen Zeitintervall) mit einer Poisson-Verteilung(und keiner Gauÿ-Verteilung) beschrieben werden. Für diese gilt der einfache Zusammen-

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LW6 4 Das Abstandsgesetz für punktfömige Strahler

hang, dass der Streuparameter (er würde der einfachen Standardabweichung bei einerGauÿ-Verteilung entsprechen) sN =

√N ist. Der Streuparameter des Mittelwertes (er

würde der Standardabweichung des Mittelwertes bei einer Gauÿ-Verteilung entsprechen)wird analog berechnet durch uN = sN√

n

Fitten Sie Ihren Datensatz linear durch geeignetes Umformen von Gl. 4. Achten Siedarauf, Fehlerbalken einzuzeichnen und die Fit-Funktion �statistisch� zu gewichten!

Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit dem Literaturwert.

4 Das Abstandsgesetz für punktfömige Strahler

4.1 Grundlagen

4.1.1 Begri�e

Quadratisches Abstandsgesetz, Intensität von Strahlung.

4.1.2 Das Abstandsgesetz

Die Strahlung, die von einer �punktförmigen� Strahlungsquelle ungerichtet (nicht fokus-siert) in den Raum ausgesendet wird, nimmt in ihrer Intensität mit dem Quadrat derEntfernung ab. Hier ist zu beachten, dass jede Quelle mit endlichen Abmessungen ausgroÿer Distanz als annähernd punktförmig betrachtet werden kann. Es gilt also:

I(r) ∼ 1

r2(6)

für r � d , wobei d eine (typische) geometrische Abmessung der Quelle ist. Die Intensitätist de�niert als Leistung pro Fläche. Es handelt sich beim Abstandsgesetz um einen reingeometrischen E�ekt, da sich die von der Quelle ausgestrahlte Energie (bzw. Leistung)mit wachsender Distanz auf eine immer gröÿer werdende Querschnitts-Fläche verteilt.Die Gröÿe dieser Fläche wächst proportional zu r2.

Frage: Eine Grundvoraussetzung muss dabei erfüllt sein - welche?

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1. Messen Sie mit dem GM-Zählrohr die Zählrate in verschiedenen Entfernungen voneinem Radiumpräpparat.

2. Tragen Sie die gemessenen Zählraten gra�sch auf. Wählen Sie die unabhängigeVariable (`x-Variable') so, dass die Messkurve als Gerade erscheint, wenn das qua-dratische Abstandsgesetz erfüllt ist.


4.3.1 Messaufbau

Quelle und Detektor (GM-Zählrohr) werden auf einer Aluminium-Platte befestigt (Abb. 9).Der Detektor ist in einem Aluminiumhalter montiert, der in die Löcher der Platte passt.Das Eintrittsfenster be�ndet sich annährend in der gleichen Position wie die Vorderkantedes Halters (nützlich für Entfernungsmessung).

Abbildung 9: Messaufbau zur Bestimmung des Abstandsgesetzes (schematisch).

Die Verwendung des Impulszählers S wurde in Kapitel 2 erklärt. Für dieses Experimentist ein festes Messintervall von 100 Sekunden geeignet.

4.3.2 Vorgangsweise

Zuerst wird zwischen Quelle und GM-Detektor ein Blatt Papier eingebracht, um dieα-Strahlen abzuschirmen. ( Stimmt das mit Ihren Erfahrungen aus dem vorherigen Ex-periment überein? )

Messen Sie die Zählrate in mindestens 5 Abständen und nehmen Sie dabei eine ver-nünftige Messreihe auf. Für die Entfernungsbestimmung reicht ein Lineal. Halten Sie

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mindestens 4 cm Minimalabstand zwischen Probe und Detektor ein (warum?).

Die gemittelten Zählraten für jeden Abstand und deren Fehlerbalken werden in einemDiagramm dargestellt.

Wählen Sie die Auftragung so, dass die Messkurve als Gerade erscheint! Bedenken Sie,dass durch diese Auftragung eine ungleichförmige Verteilung der x-Werte zustande kommtund wählen Sie daher schon bei der Messung die Abstände so, dass keine allzu ungleichenAbstände zwischen den Messpunkten in der Gra�k entstehen!

4.3.3 Die Radiumquelle

Für dieses Experiment (und die nachfolgenden) wird eine Radiumquelle (Ra 226) ver-wendet. Ra 226 emittiert α- und γ-Strahlung (siehe auch Zerfallsschema von Ra 226 inAbb. 10). Die γ-Strahlung ist jedoch nicht monoenergetisch.Die Aktivität dieses Präparates beträgt 3,3 kBq. Das Präparat besteht aus einem Stück-chen Ra 226, das am Ende einer Aluminium-Stange montiert ist (siehe Abb. 11). DieStrahlung breitet sich hauptsächlich in einem nach vorne gerichteten Strahlenkegel aus.

Abbildung 10: Zerfallsschema von Ra 226

Vergleichen Sie die Aktivität der Quelle mit der körpereigenene Aktivität, die Sie zuvorabgeschätzt haben, um abzuschätzen, ob die Strahlungsquelle gesundheitlich bedenklichist6.

6Berücksichtigen Sie, dass die K-40 Aktivität nicht die einzige natürliche Quelle ist, deren Radioaktivi-tät ständig auf den Organismus einwirkt! Weitere Quellen sind die Höhenstrahlung, sowie radioaktiveSubstanzen im Boden, in der Luft und in vielen Baumaterialien

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LW6 5 Reichweite von Alpha-Strahlen in Luft

Abbildung 11: Radioaktive Quelle (Ra 226), die im Praktikum verwendet wird.

4.4 Hinweise zum Protokoll und zur Fehlerrechnung

Wenn Sie die gra�sche Auftragung richtig gewählt haben, dann zeigt die Gra�k sofort,ob das quadratische Abstandsgesetz erfüllt ist oder nicht!

Legen Sie eine Ausgleichsgerade durch die Messdaten. Darüber hinausgehende Auswer-tungen sind nicht notwendig.

5 Reichweite von Alpha-Strahlen in Luft

Die Bestimmung der Reichweite mit dem Halbleiterdetektor ist eine freiwillige Ergän-zungsmöglichkeit.

5.1 Grundlagen

5.1.1 Begri�e

Reichweite von Strahlen, Halbleiterdetektoren, Energieverlust durch Stöÿe, Nebelkam-mer.

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5.1.2 Ausbreitung von Alpha-Strahlen in Luft

Die α-Teilchen, die eine radioaktives Isotop emittiert, haben eine wohlde�nierte Energieim Bereich von einigen MeV. Bei ihrer Fortbewegung in Luft (und anderen Gasen)verlieren sie durch Stoÿionisation laufend Energie. Der Energieaufwand zur Erzeugungeines Ionenpaares in Luft beträgt ca. 35 eV. Die α-Teilchen breiten sich so weit aus, bisihre gesamte Energie durch Stöÿe verbraucht ist, d.h. nach ca. 105 bis 106 Stöÿen. Infolgeder annähernd gleichen Anfangsenergie existiert eine maximale Reichweite, bis zu dernoch α-Teilchen detektiert werden können.

Für die Reichweite in Luft gilt näherungsweise die folgende empirische Formel [?, S.110]:

Rm/mm = 3.1 (Eα/MeV)3/2 (7)

Infolge des statistischen Charakters der Stoÿprozesse kommt es zu einer Streuung von ca.3 % um diesen Wert. Darüber hinaus ist die Reichweite temperatur- und druckabhängig:sie steigt mit wachsender Temperatur an und nimmt mit steigendem Druck ab.

5.1.3 Der Halbleiterdetektor

Der in diesem Experiment verwendete Detektor ist eine Silizium-Diode. Der wesentlicheBestandteil einer Halbleiterdiode ist der p-n-Übergang, eine Grenzschicht im Halbleiter,in der ein p-dotierter und ein n-dotierter Bereich aufeinander tre�en. In diesem Be-reich bildet sich eine sog. Sperrschicht aus, in der fast alle beweglichen Ladungsträgerdurch Rekombination verschwunden sind. Diese Sperrschicht ist wenige µm breit, anihr liegt eine Potentialdi�erenz (eingebaute Spannung) von ca. 0.8 eV (abhängig vomHalbleiter). Diese Spannung ist so gepolt, dass sie das Flieÿen von Ladungen über dieGrenzschicht hinweg verhindert. Eine äuÿere Spannung, die gleich gepolt ist wie dieeingebaute Spannung, verbreitert die Sperrschicht und der Strom�uss bleibt weiterhinunmöglich. Tre�en jedoch ionisierende Teilchen auf den p-n-Übergang, so können diesezusätzliche Ladungsträger freisetzen. Diese werden von der eingebauten Spannung be-schleunigt und bewirken so einen Strom�uss. Der gemessene Strom ist proportional zurStrahlungsintensität.

Die Energie zur Erzeugung eines Ladungsträgerpaares im Halbleiter besitzt einen Schwel-lenwert (Energielücke, �gap�), der bei Si ca. 1,1 eV beträgt. Radioaktive Strahlen habeneine wesentlich höhere Energie (keV bis MeV), jedoch kann durch gezielte Dimensionie-rung (Dotierungsgrad, Dicke der Diode) erreicht werden, dass die Diode hauptsächlich ineinem bestimmten Energiebereich detektiert. Der hier verwendete Detektor ist für den

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Nachweis von α-Teilchen optimiert, andere Strahlungsarten erzeugen nur vernachlässig-bar kleine Signale.

5.1.4 Die Nebelkammer

Die Nebelkammer dient zum optischen Nachweis ionisierender Strahlung. Sie besteht auseiner abgedichteten Kammer mit einer Wanne auf dem Boden und einem Flüssigkeitsre-servoir (Rinne) nahe dem durchsichtigen Deckel (Glasplatte). Eine leicht verdampfendeFlüssigkeit wird in die Bodenwanne und in das obere Reservoir gefüllt. Im Praktikumwird entweder Methanol oder Äthanol verwendet. Die Flüssigkeit in der Wanne wird z.B.mit �üssigem Sticksto� gekühlt, während in der Rinne eine wesentlich höhere Tempera-tur herrscht. Infolge des Temperaturgefälles entsteht nahe der Bodenplatte ein Bereichmit übersättigtem Alkoholdampf. Entlang der Flugbahn der ionisierenden Teilchen bil-den sich durch Wechselwirkungen mit der umliegenden Materie Kondensationskeime, andenen der Alkoholdampf vermehrt kondensiert. Die Teilchen hinterlassen so auf ihremWeg eine Nebelspur. Eine Saugspannung von 750 V zwischen dem linken und rechtenRand der Wanne bündelt die Alphastrahlen, sodass die Nebelspuren eine Vorzugsrich-tung erhalten.


1. (freiwillig:) Messen Sie mit einem Halbleiterdetektor die Zählrate in verschiedenenEntfernungen von einem Radiumpräparat.

2. (freiwillig:) Tragen Sie die gemessenen Zählraten gra�sch auf und bestimmen Siedie mittlere Reichweite der α-Strahlen.

3. Berechnen Sie mittels der bekannten Zerfallsenergie von Ra-226 (Nuklidkarte) diezu erwartende Reichweite mit Formel 7. Klären Sie ab, ob die Beschleunigungs-spannung von 700V die Reichweite messbar verlängert.

4. Bestimmen Sie die Reichweite der α-Strahlen auf optischem Wege (Foto) anhandder Spuren in einer Nebelkammer und vergleichen sie den experimentell ermitteltenWert mit dem zuvor berechneten (Aufgabe 3).

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5.3.1 Bestimmung der Reichweite mit der Nebelkammer

Dieses Experiment wird im Bedarfsfall gemeinsam mit einer Gruppe aus dem PraktikumII (Bachelorstudium Physik) durchgeführt. Die gra�sche Reichweiten-Auswertung wirdselbständig durchgeführt.

Das Nebelkammer-Experiment darf nur bei eingeschalteter Raum-Belüftung durchgeführtwerden!

Die Vorbereitung der Nebelkammer wird vom Betreuer/der Betreuerin durchgeführt.Methanol/Äthanol wird auf dem Boden der Kammer verteilt (es genügt eine dünneSchicht!) und eine kleine Menge in die Rinne eingefüllt und diese mit den Gummipfropfenverschlossen. Dann wird die Bodenplatte mit �üssigem Sticksto� gekühlt.

Das Radiumpräparat wird auf einem Verlängerungsstab befestigt und durch die seitlicheBohrung in die Nebelkammer eingebracht. Die 750 V Saugspannung wird nach einigenMinuten der Kühlung eingeschaltet. Hat sich ein Gleichgewicht eingestellt, so kommt eszur Ausbildung der Nebelspuren. Dabei ist zu achten, daÿ die Nebelkammer waagrechtsteht, da es sonst zu einer Verschmierung der Teilchenspuren kommt. Je nach den atmo-sphärischen Bedingungen dauert es ca. 10 bis 20 Minuten, bis die Nebelspuren erkennbarwerden.

Ihre Aufgabe: mit der zur Verfügung gestellten Digitalkamera fertigen sie Fotos vonden Nebelspuren an. Verwenden Sie, wenn möglich, einen Aufnahmemodus zur Blenden-automatik, bei dem Sie die Verschlusszeit selbst wählen können (z.B. 2 s). Stellen Sie dieKamera auf die Plexiglasplatte der Nebelkammer und drehen Sie den Blitz ab. Damitdie Fotos nicht verwackelt sind, emp�ehlt sich der 2 s Selbstauslöser. Mit der Funktion�manuell Scharfstellen� können Sie die Nebelspuren fokussieren. Die gelungenen Fotoswerden von der Speicherkarte auf einen Computer übertragen. Drucken Sie das besteBild für das Protokoll aus. Bestimmen Sie die Länge der Spuren durch Vergleich mitdem Durchmesser des Stabes und nicht mit dem Abstand der Drähte in der Nebelkam-mer, um systematische Fehler in der Längenbestimmung auf Grund der Perspektive amFoto gering zu halten (vor dem Beginn mit einer Schublehre messen!).

5.3.2 Reichweitenbestimmung mit dem Halbleiterdetektor - freiwilligesTeilexperiment

Für dieses Experiment wird im wesentlichen der gleiche Aufbau verwendet wie bei derMessung des Abstandsgesetzes (siehe Abb. 9), wobei jedoch das GM-Zählrohr durch den

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Halbleiterdetektor ersetzt wird. Der Papierschirm zwischen Radiumquelle und Detektormuss entfernt werden. Die Strahlungsquelle ist wieder das Ra-226-Präparat.

Am Impulszähler ist der Kleinsignaleingang zu verwenden (siehe Abb. 12). Schalter (2)des Impulszählers S ist auf Impulseingang (2.3) zu stellen. Zwischen den Detektor undden Impulszähler muss ein Vorverstärker (�Diskriminator�) geschaltet werden, der ausden Stromimpulsen des Detektors Spannungsimpulse erzeugt.

Abbildung 12: Messanordnung zur Bestimmung der Reichweite von α-Strahlen inLuft. Links: Si-Detektor und Diskriminator. Rechts: Impulszähler.

Vor der Messung muss die Raumbeleuchtung auf das unbedingt notwendige Maÿ redu-ziert werden. (Dimmer verwenden). (Warum?)

Messen Sie dann die Zählrate in Abhängigkeit von der Distanz zwischen Quelle undDetektor: 5 Messungen pro Entfernung, Impulszähler mit START und STOP manuellbedienen, Messdauer 60 s (mit der Stoppuhr) messen. Beginnen Sie mit der Messung ineiner Entfernung von ca. 1 cm und steigern Sie die Entfernung, bis keine Zählimpulsemehr zu registrieren sind.Tragen Sie die gemessenen Zählraten möglichst inkl. der Fehlerbalken gra�sch auf undbestimmen Sie aus der Messkurve die maximale Reichweite.

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Radioaktivität Version vom 28. Februar 2019 · Radioaktivität, Halbwertszeit,...

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