kernphysik · 2013-05-27 · radioaktivität bzw. kernphysik recht gut widerspiegelt: „...
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Schulversuchspraktikum
4 Protokoll
Kernphysik(5 und 8 Klasse Oberstufe)
Dana Eva Ernst 9955579
Linz am 24112002
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Inhaltsverzeichnis
Kapitel I - Thema und Ziele 3
Kapitel II - Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt 4
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen 5
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung 6
24 Das Zerfallsgesetz 10
Kapitel III - Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer 12
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop 14
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker 15
34 Reichweite von -Strahlung in Luft 15
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung 17
Kapitel IV - Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer) 18
411 Der Nulleffekt 19
412 Bestimmung der Zaumlhlrate 20
413 Das Abstandgesetz 20
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle 21
415 Ablenkung im Magnetfeld 22
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung 24
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen 26
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung 27
419 Dickenmessung 28
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie 29
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung 29
42 Das Zaumlhlrohr (Computer) 30
421 Zaumlhlrate 31
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls 32
-2-
Kapitel V - Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie 38
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen 39
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden 40
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung 42
Kapitel VI - Anmerkung 43
Kapitel VII - Literatur 44
Anhang
Inhalt Experimentierkoffer
Folien
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I THEMA und ZIELE
Ich moumlchte dieses Protokoll mit einem Zitat beginnen da es in kurzen Worten das Thema
Radioaktivitaumlt bzw Kernphysik recht gut widerspiegelt
bdquoDie Geschehnisse der Natur sind verborgen obgleich sie immer taumltig ist entdecken wir
nicht immer ihre Wirkungen ldquo Blaise Pascal
Dieser Stoff ist Thema der 5 und 8 Klasse Realgymnasium In der 5 Klasse wuumlrde ich die
Statistikversuche (siehe Kapitel 4) aber noch nicht machen da das noumltige mathematische
Wissen noch nicht vorhanden ist
Was sind laut Lehrplan die Ziele des Kapitels Kernphysik
die Erforschung der Materie durch Streuversuche an Beispielen aufzeigen koumlnnen
den Aufbau von Atomen und Atomkernen beschreiben koumlnnen
Wesen und Wirkungen der Radioaktivitaumlt kennen
Konsequenzen der Nutzung unterschiedlicher Formen von Primaumlrenergie beurteilen
koumlnnen
am Beispiel der Elementarteilchenphysik einen Einblick in die Grundlagenforschung
gewinnen und deren Notwendigkeit abschaumltzen lernen
uumlber das Zerstoumlrungspotential atomarer Waffen Bescheid wissen
Anmerkung Das sind saumlmtliche Ziele laut Lehrplan fuumlr das Kapitel Kernphysik In diesem
Protokoll werden allerdings nicht alle Ziele behandelt Der Schwerpunkt liegt hier bei der
Radioaktivitaumlt
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 Strukturaufklaumlrung durch Streuversuche
Radioaktivitaumlt
Halbwertszeit
Radioisotope
-4-
II Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt
Unter Radioaktivitaumlt wird der spontane (dh unabhaumlngig von aumluszligeren Einfluumlssen wie zB
Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter
Aumlnderung der Masse Kernladung und Energie verstanden Je nachdem ob das betreffende
Isotop natuumlrlich vorkommt oder kuumlnstlich erzeugt wird spricht man von natuumlrlicher oder
kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt
Die natuumlrliche Radioaktivitaumlt tritt bei allen chemischen Elementen auf deren Ordnungszahlen
groumlszliger als 80 sind
Natuumlrliche Radioaktivitaumlt 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 natuumlrlicher Radioaktivitaumlt 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 vollstaumlndig zerfallen sind da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehoumlrt zB Uran
238 ndash siehe Abbildung 1 ndash Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar)
Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphaumlre und erreicht anschlieszligend die
Erdoberflaumlche
Abb 1
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
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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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
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Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
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Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
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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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
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Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
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erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
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Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
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Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
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aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-1-
Inhaltsverzeichnis
Kapitel I - Thema und Ziele 3
Kapitel II - Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt 4
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen 5
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung 6
24 Das Zerfallsgesetz 10
Kapitel III - Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer 12
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop 14
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker 15
34 Reichweite von -Strahlung in Luft 15
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung 17
Kapitel IV - Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer) 18
411 Der Nulleffekt 19
412 Bestimmung der Zaumlhlrate 20
413 Das Abstandgesetz 20
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle 21
415 Ablenkung im Magnetfeld 22
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung 24
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen 26
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung 27
419 Dickenmessung 28
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie 29
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung 29
42 Das Zaumlhlrohr (Computer) 30
421 Zaumlhlrate 31
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls 32
-2-
Kapitel V - Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie 38
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen 39
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden 40
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung 42
Kapitel VI - Anmerkung 43
Kapitel VII - Literatur 44
Anhang
Inhalt Experimentierkoffer
Folien
-3-
I THEMA und ZIELE
Ich moumlchte dieses Protokoll mit einem Zitat beginnen da es in kurzen Worten das Thema
Radioaktivitaumlt bzw Kernphysik recht gut widerspiegelt
bdquoDie Geschehnisse der Natur sind verborgen obgleich sie immer taumltig ist entdecken wir
nicht immer ihre Wirkungen ldquo Blaise Pascal
Dieser Stoff ist Thema der 5 und 8 Klasse Realgymnasium In der 5 Klasse wuumlrde ich die
Statistikversuche (siehe Kapitel 4) aber noch nicht machen da das noumltige mathematische
Wissen noch nicht vorhanden ist
Was sind laut Lehrplan die Ziele des Kapitels Kernphysik
die Erforschung der Materie durch Streuversuche an Beispielen aufzeigen koumlnnen
den Aufbau von Atomen und Atomkernen beschreiben koumlnnen
Wesen und Wirkungen der Radioaktivitaumlt kennen
Konsequenzen der Nutzung unterschiedlicher Formen von Primaumlrenergie beurteilen
koumlnnen
am Beispiel der Elementarteilchenphysik einen Einblick in die Grundlagenforschung
gewinnen und deren Notwendigkeit abschaumltzen lernen
uumlber das Zerstoumlrungspotential atomarer Waffen Bescheid wissen
Anmerkung Das sind saumlmtliche Ziele laut Lehrplan fuumlr das Kapitel Kernphysik In diesem
Protokoll werden allerdings nicht alle Ziele behandelt Der Schwerpunkt liegt hier bei der
Radioaktivitaumlt
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 Strukturaufklaumlrung durch Streuversuche
Radioaktivitaumlt
Halbwertszeit
Radioisotope
-4-
II Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt
Unter Radioaktivitaumlt wird der spontane (dh unabhaumlngig von aumluszligeren Einfluumlssen wie zB
Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter
Aumlnderung der Masse Kernladung und Energie verstanden Je nachdem ob das betreffende
Isotop natuumlrlich vorkommt oder kuumlnstlich erzeugt wird spricht man von natuumlrlicher oder
kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt
Die natuumlrliche Radioaktivitaumlt tritt bei allen chemischen Elementen auf deren Ordnungszahlen
groumlszliger als 80 sind
Natuumlrliche Radioaktivitaumlt 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 natuumlrlicher Radioaktivitaumlt 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 vollstaumlndig zerfallen sind da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehoumlrt zB Uran
238 ndash siehe Abbildung 1 ndash Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar)
Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphaumlre und erreicht anschlieszligend die
Erdoberflaumlche
Abb 1
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-2-
Kapitel V - Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie 38
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen 39
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden 40
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung 42
Kapitel VI - Anmerkung 43
Kapitel VII - Literatur 44
Anhang
Inhalt Experimentierkoffer
Folien
-3-
I THEMA und ZIELE
Ich moumlchte dieses Protokoll mit einem Zitat beginnen da es in kurzen Worten das Thema
Radioaktivitaumlt bzw Kernphysik recht gut widerspiegelt
bdquoDie Geschehnisse der Natur sind verborgen obgleich sie immer taumltig ist entdecken wir
nicht immer ihre Wirkungen ldquo Blaise Pascal
Dieser Stoff ist Thema der 5 und 8 Klasse Realgymnasium In der 5 Klasse wuumlrde ich die
Statistikversuche (siehe Kapitel 4) aber noch nicht machen da das noumltige mathematische
Wissen noch nicht vorhanden ist
Was sind laut Lehrplan die Ziele des Kapitels Kernphysik
die Erforschung der Materie durch Streuversuche an Beispielen aufzeigen koumlnnen
den Aufbau von Atomen und Atomkernen beschreiben koumlnnen
Wesen und Wirkungen der Radioaktivitaumlt kennen
Konsequenzen der Nutzung unterschiedlicher Formen von Primaumlrenergie beurteilen
koumlnnen
am Beispiel der Elementarteilchenphysik einen Einblick in die Grundlagenforschung
gewinnen und deren Notwendigkeit abschaumltzen lernen
uumlber das Zerstoumlrungspotential atomarer Waffen Bescheid wissen
Anmerkung Das sind saumlmtliche Ziele laut Lehrplan fuumlr das Kapitel Kernphysik In diesem
Protokoll werden allerdings nicht alle Ziele behandelt Der Schwerpunkt liegt hier bei der
Radioaktivitaumlt
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 Strukturaufklaumlrung durch Streuversuche
Radioaktivitaumlt
Halbwertszeit
Radioisotope
-4-
II Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt
Unter Radioaktivitaumlt wird der spontane (dh unabhaumlngig von aumluszligeren Einfluumlssen wie zB
Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter
Aumlnderung der Masse Kernladung und Energie verstanden Je nachdem ob das betreffende
Isotop natuumlrlich vorkommt oder kuumlnstlich erzeugt wird spricht man von natuumlrlicher oder
kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt
Die natuumlrliche Radioaktivitaumlt tritt bei allen chemischen Elementen auf deren Ordnungszahlen
groumlszliger als 80 sind
Natuumlrliche Radioaktivitaumlt 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 natuumlrlicher Radioaktivitaumlt 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 vollstaumlndig zerfallen sind da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehoumlrt zB Uran
238 ndash siehe Abbildung 1 ndash Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar)
Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphaumlre und erreicht anschlieszligend die
Erdoberflaumlche
Abb 1
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-3-
I THEMA und ZIELE
Ich moumlchte dieses Protokoll mit einem Zitat beginnen da es in kurzen Worten das Thema
Radioaktivitaumlt bzw Kernphysik recht gut widerspiegelt
bdquoDie Geschehnisse der Natur sind verborgen obgleich sie immer taumltig ist entdecken wir
nicht immer ihre Wirkungen ldquo Blaise Pascal
Dieser Stoff ist Thema der 5 und 8 Klasse Realgymnasium In der 5 Klasse wuumlrde ich die
Statistikversuche (siehe Kapitel 4) aber noch nicht machen da das noumltige mathematische
Wissen noch nicht vorhanden ist
Was sind laut Lehrplan die Ziele des Kapitels Kernphysik
die Erforschung der Materie durch Streuversuche an Beispielen aufzeigen koumlnnen
den Aufbau von Atomen und Atomkernen beschreiben koumlnnen
Wesen und Wirkungen der Radioaktivitaumlt kennen
Konsequenzen der Nutzung unterschiedlicher Formen von Primaumlrenergie beurteilen
koumlnnen
am Beispiel der Elementarteilchenphysik einen Einblick in die Grundlagenforschung
gewinnen und deren Notwendigkeit abschaumltzen lernen
uumlber das Zerstoumlrungspotential atomarer Waffen Bescheid wissen
Anmerkung Das sind saumlmtliche Ziele laut Lehrplan fuumlr das Kapitel Kernphysik In diesem
Protokoll werden allerdings nicht alle Ziele behandelt Der Schwerpunkt liegt hier bei der
Radioaktivitaumlt
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 Strukturaufklaumlrung durch Streuversuche
Radioaktivitaumlt
Halbwertszeit
Radioisotope
-4-
II Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt
Unter Radioaktivitaumlt wird der spontane (dh unabhaumlngig von aumluszligeren Einfluumlssen wie zB
Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter
Aumlnderung der Masse Kernladung und Energie verstanden Je nachdem ob das betreffende
Isotop natuumlrlich vorkommt oder kuumlnstlich erzeugt wird spricht man von natuumlrlicher oder
kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt
Die natuumlrliche Radioaktivitaumlt tritt bei allen chemischen Elementen auf deren Ordnungszahlen
groumlszliger als 80 sind
Natuumlrliche Radioaktivitaumlt 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 natuumlrlicher Radioaktivitaumlt 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 vollstaumlndig zerfallen sind da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehoumlrt zB Uran
238 ndash siehe Abbildung 1 ndash Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar)
Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphaumlre und erreicht anschlieszligend die
Erdoberflaumlche
Abb 1
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-4-
II Grundbegriffe
21 Radioaktivitaumlt
Unter Radioaktivitaumlt wird der spontane (dh unabhaumlngig von aumluszligeren Einfluumlssen wie zB
Temperatur oder Druck) stattfindende Zerfall von Atomkernen bestimmter Isotope unter
Aumlnderung der Masse Kernladung und Energie verstanden Je nachdem ob das betreffende
Isotop natuumlrlich vorkommt oder kuumlnstlich erzeugt wird spricht man von natuumlrlicher oder
kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt
Die natuumlrliche Radioaktivitaumlt tritt bei allen chemischen Elementen auf deren Ordnungszahlen
groumlszliger als 80 sind
Natuumlrliche Radioaktivitaumlt 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 natuumlrlicher Radioaktivitaumlt 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 vollstaumlndig zerfallen sind da ihre Halbwertszeit sehr hoch ist (dazu gehoumlrt zB Uran
238 ndash siehe Abbildung 1 ndash Diese Abbildung stellt die Zerfallsreihe des Urans dar)
Die kosmische Strahlung hingegen entsteht in der Atmosphaumlre und erreicht anschlieszligend die
Erdoberflaumlche
Abb 1
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
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Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
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
-5-
Kuumlnstliche Radioaktivitaumlt Bei radioaktiven Nukliden die von menschlicher Hand erzeugt
werden spricht man von kuumlnstlicher Radioaktivitaumlt So wird zum Beispiel das Radioisotop
Co60 durch Neutronenbestrahlung aus dem stabilen Co59 hergestellt Durch Einfangen des
Neutrons entsteht dann das radioaktive Isotop
Die Einheit der Aktivitaumlt oder Zerfallsrate eines radioaktiven Materials ist das Becquerel
1 Bq entspricht einem Kernzerfall pro Sekunde
Anmerkung Vorsicht Die bei der Radioaktivitaumlt freigesetzte Strahlung fuumlhrt in Atomen (und
daher auch in biologischen Zellen) zur Bildung von Ionen Dies kann fuumlr Lebewesen
gefaumlhrlich sein Die ionisierenden Strahlungen (jene Strahlen die zur Ionenbildung fuumlhren)
sind alle radioaktiven Strahlungsarten plus die Neutronenstrahlung und die Roumlntgenstrahlung
Beim Umgang mit all diesen Strahlungen ist Vorsicht geboten
22 Die unterschiedlichen Strahlungstypen
- Strahlung
Sie besteht aus He- Kernen Ihre Energie betraumlgt im Mittel einige MeV Da -Teilchen beim
Durchgang durch Materie stark gebremst werden (wegen ihrer bdquoGroumlszligeldquo) koumlnnen sie leicht
abgeschirmt werden Schon ein Blatt Papier kann einen Groszligteil der -Strahlung die von
einem radioaktiven Element ausgeht abschirmen
Bei -Strahlern sendet ein Atomkern einen Heliumkern ( He42 ) aus und wandelt sich dadurch
in einen anderen Atomkern um Ein Beispiel
U23892 (Uran) Th234
90 (Thorium) + He42 (Heliumkern)
- Strahlung
Sie besteht aus Elektronen Ihre Energie betraumlgt 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
zerfaumlllt im Atomkern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron Es wird auszligerdem noch ein
Antineutrino ausgesendet Dieses Teilchen ist aber ungeladen Ein Beispiel fuumlr einen - -
Strahler
C146 (Kohlenstoff) N14
7 (Stickstoff) + e- +
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-6-
Bei +-Strahlern zerfaumlllt im Atomkern ein Proton in ein Neutron und ein Positron Auch
hierbei wird noch ein anderes Teilchen ausgesandt ein Neutrino Ein Beispiel fuumlr einen + -
Strahler
C116 (Kohlenstoff) B11
5 (Bor) + e+ +
- Strahlung
Diese Strahlung besteht aus Photonen hoher Energie Diese Strahlung kann aufgrund ihrer
Beschaffenheit nicht gaumlnzlich abgeschirmt werden Durch dicke Beton- oder Bleiplatten kann
jedoch ihre Intensitaumlt erheblich eingeschraumlnkt werden
Bei der -Strahlung geht zum Beispiel ein Proton oder ein Neutron im Kern eines Atoms von
einem houmlheren angeregten Energieniveau in ein niedrigeres Energieniveau uumlber 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 einfuumlhren (sofern sie bis dahin noch nicht vorgekommen sind)
Uumlbersichtstabelle
Strahlenart Energie [MeV] Reichweite [mm]
-Strahlung 5 004
-Strahlung 1 4
-Strahlung 1 660
23 Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung (siehe auch Folie im Anhang)
Allgemein Das Ionisationsvermoumlgen ist ein Parameter der Stoszligionisation der angibt wie
viele Atome oder Molekuumlle ein geladenes Teilchen beim Durchgang durch ein Gas auf einer
Flugstrecke von 1 m durch Stoszligionisation ionisiert
-Strahlung
-Teilchen haben im Vergleich zu Elektronen eine viel groumlszligere Masse Aufgrund dieser
Tatsache sind sie in der Lage Elektronen aus ihren Atomhuumlllen herauszuschlagen (siehe
Abbildung 2) Trotz dieser Stoszligionisation 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
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-7-
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 stoszligen
(Stoszligionisation) gegen die Elektronen der Atomhuumllle (siehe Abbildung 3) Die freien
Elektronen sind dabei aber nur selten (ab und zu gelingt es einem einzelnen Elektron ein
anderes Elektron aus der Huumllle herauszuschlagen) in der Lage Elektronen aus den
Atomhuumlllen herauszuschlagen Durch den Stoszlig gegen die Atomhuumlllen werden die Elektronen
allerdings stark von ihrer Bahn abgelenkt Die Materie wird also durch --Strahlung nur
schwach ionisiert aber dadurch haben die --Strahlen eine groumlszligere Reichweite als -
Strahlen
+-Strahlung
Im Prinzip verhaumllt 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
ndash 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 betraumlgt jeweils 051
MeV
Abb 2
Abb 3
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-8-
Ein langsames Neutron
Ein langsames Neutron hat in der Regel eine aumlhnlich groszlige Geschwindigkeit wie ein
Gasmolekuumll (Waumlrmebewegung) Das langsame Neutron dringt in die Materie ein das heiszligt 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 faumlngt ein Neutron ein und geht somit uumlber in das Deuterium-Isotop
Oder anders
HnH 21
11
Wasserstoff Deuterium
Ein schnelles Neutron
Schnelle Neutronen verhalten sich im Gegensatz zu langsamen Neutronen grundsaumltzlich
anders Sie haben eine viel houmlhere kinetische Energie als langsame Neutronen Stoszligen diese
schnellen Neutronen gegen andere Teilchen die in etwa dieselbe Masse aufweisen (zB
Wasserstoffkerne haben circa dieselbe Masse) so geben sie einen beachtlichen Teil ihrer
kinetischen Energie an diese Stoszligpartner ab Durch diese kinetische Energie wird der
Abb 4
Abb 5
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-9-
Stoszligpartner in unserem Fall der Wasserstoffkern zu einem Ruumlckstoszligkern 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
schlaumlgt es aus der Atomhuumllle ein Elektron heraus Waumlhrend 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 groszlig genug um aus der Huumllle 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 Wellenlaumlnge zu Mit anderen Worten das Photon wird am
Atom gestreut Diesen Effekt bezeichnet man auch als Comptoneffekt (siehe Abbildung 8)
Abb 6
Abb 7
Abb 8
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-10-
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 Stoszligprozesse) 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
051 MeV besitzen (siehe Abbildung 9)
24 Das Zerfallsgesetz
Das Zerfallsgesetz beschreibt allgemein wie die Anzahl der Kerne bei einem radioaktiven
Zerfall abnimmt
Herleitung des Zerfallgesetzes
Zerfaumlllt 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
tnn ~
n Anzahl der im Zeitraum t zerfallenen Kerne
t betrachteter Zeitraum
n Anzahl der Teilchen
Nun bildet man aus n und t den Quotienten tn
und daraus das Differential
dtdn Man kann
sich diese Groumlszlige auch als die Zerfallsgeschwindigkeit vorstellen Das Proportionalitaumltszeichen
verlangt einen Proportionalitaumltsfaktor denn man nennt
Somit erhaumllt man
Abb 9
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-11-
ndtdn
Jetzt bringt man das n und das dt jeweils auf die andere Seite und integriert die Gleichung
dtndn
Anmerkung Das Minuszeichen vor dem Lambda symbolisiert die exponentielle Abnahme der
Teilchenanzahl
Aus dem Integrieren folgt
ln n = - t + c
und durch umformen folgt
n(t) = tc ee
Das kleine c ist die Integrationskonstante die nun im Folgenden noch bestimmt werden muss
Dazu waumlhlt man eine geeignete Anfangsbedingung Zum Zeitpunkt t = 0 betraumlgt die Anzahl
der Teilchen No Diese Beziehung wird in die obige Gleichung eingesetzt und liefert
No = ec e0 ec = No
Diese Beziehung in die oben stehende Gleichung eingesetzt ergibt
Das Zerfallsgesetz n(t) = Note
Als Halbwertszeit bezeichnet man jene Zeit in der die Haumllfe aller vorhandenen Kerne
zerfallen ist
Rechnerisch bestimmt man diese Zeit folgendermaszligen
Man setzt in der Gleichung n(t) =2
oNund rechnet die Zeit t aus das heiszligt man bestimmt jene
Zeit nach der von No Kernen nur noch 2
oNKerne vorhanden sind
2oN
= Note t =
1 ln
21
=
2ln
Die Halbwertszeit t =
2ln
Anmerkung1 wird auch als Lebensdauer bezeichnet
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-12-
III Versuche ndash Teil I
31 Die Wilsonsche Nebelkammer
Verwendete Materialen Wilsonkammer nach Schuumlrholz Netzgeraumlt Lampe Kondensor
Transformator 2 ndash12 V eine radioaktive Probe
Aufbau
Versuchsgang
Zu Beginn des Versuches traumlnkt 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 dafuumlr 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 genuumlgend
radioaktive Strahlung in der Kammer befindet Durch das Anlegen einer Gleichspannung
werden die sich in der Kammer befindlichen Ionen bdquoabgesaugtldquo Daraufhin wird die
Spannung wieder abgeschaltet und man zieht mit einem kraumlftigen Ruck die Kolbenpumpe in
die Endstellung (Expansion)
Anmerkung Will man den Versuch noch einmal durchfuumlhren 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 Erklaumlrung
Die originale Nebelkammer wurde 1912 von Charles TR Wilson (1869 - 1959) einem bri-
Abb 10
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-13-
tischen Physiker und Nobelpreistraumlger erfunden Die Wilsonsche Nebelkammer besteht aus
einem zylindrischen Gefaumlszlig das auf der einen Stirnflaumlche mit einer Glasplatte auf der anderen
mit einem verschiebbaren Kolben verschlossen ist und es enthaumllt ein wasserdampfgesaumlttigtes
Gas meist Luft (siehe Abb 11)
Durch das Zuruumlckreiszligen des Kolben wird das Gasvolumen um ca 30 vergroumlszligert Diese
adiabatische Expansion kuumlhlt das Gas ab und es ist nun mit Wasserdampf uumlbersaumlttigt Dieser
scheidet sich aber erst dann in Form kleiner Wassertropfen (Nebeltropfen) ab wenn
Kondensationskeime zB kleine Staubteilchen oder auch geladene Gasmolekuumlle (Ionen)
vorhanden sind Treten in das Kammerinnere schnelle Teilchen ein die auf ihrer Bahn
vorhandene Gasmolekuumlle ionisieren so kondensieren Nebeltroumlpfchen an den Ionen ehe sie
sich durch Diffusion bdquodeutlichldquo verschieben
Beleuchtet man das Kammerinnere gleichzeitig intensiv von einer Seite wird das Licht an
diesen Troumlpfchen (Nebel) gestreut und man kann die Spur des Teilchens durch die glaumlserne
Deckplatte der Kammer als hellleuchtenden Nebelstreifen vor dem dunklen Untergrund des
geschwaumlrzten Kolbens beobachten oder fotografieren
Die - Teilchen werden im Gas der Kammer gebremst Aus der Laumlnge der Spuren kann ihre
kinetische Energie berechnet werden Foto 1 zeigt Spuren von - Teilchen die von einer
Radium-Quelle emittiert wurden
Abb 11
Foto 1
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-14-
Anmerkung Nebelkammern werden heute nur noch zu Demonstrationszwecken eingesetzt
Fuumlr Detektoren moderner Forschungsanlagen sind sie bedeutungslos geworden
32 Spitzenzaumlhler und Elektroskop
Verwendete Materialen Elektroskop Lampe Kondensor Transformator Geigerscher
Spitzenzaumlhler Hochspannungsnetzgeraumlt Voltmeter
Aufbau
Versuchsgang
Anmerkung Vor Beginn des Versuches ist der Spitzenzaumlhler zu reinigen Dies macht man
entweder mit einem feuchten Lederlappen oder man zieht die Spitze des Zaumlhlers zwischen
dem angefeuchteten Zeigefinger und Daumen durch
Tipp Den Innenraum des Zaumlhlers leicht mit Fett bestreichen da so umherspringende
Staubteilchen besser gebunden werden
Fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (ca 3 kV) Die Spannung wird so gewaumlhlt
dass gerade noch keine selbstaumlndige Entladung in der Luft passiert
Nun nimmt man die radioaktive Probe zur Hand und naumlhert diese an das offene Ende des
Spitzenzaumlhlers an Nun beobachtet man das Verhalten des Elektroskopbaumlndchens
Ergebnis und Erklaumlrung
Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im elektrischen Feld einzelne
Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert werden koumlnnen
Das Baumlndchen (siehe Abbildung 12) ist der wichtigste Bestandteil des Versuches Beobachtet
man dieses Baumlndchen so sieht man das sich das Baumlndchen allmaumlhlich auflaumldt Das passiert
durch die Entladungsstoumlszlige im Zaumlhler Ist das Baumlndchen stark genug geladen so wird es an die
Gegenelektrode gezogen und entlaumldt sich dort Danach springt es wieder in die Ausgangslage
zuruumlck und die Aufladung beginnt von Neuen
Abb 12
Baumlndchen
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-15-
Das Baumlndchen sollte sich immer in einem genuumlgend groszligen Abstand von der Gegenelektrode
befinden Schiebt man allerdings die Gegenelektrode nahe an das Baumlndchen heran sodass
jede Entladung im Zaumlhler das Baumlndchen an der Elektrode anschlagen laumlsst so zeigt jeder
Anschlag des Baumlndchen an der Elektrode ein Teilchen im Spitzenzaumlhler an
Tipp Bei dieser Versuchanordnung sollte man ein schwaches Praumlparat benutzen so sonst das
Baumlndchen dauernd an der Elektrode anschlaumlgt (das Baumlndchen waumlre bdquouumlberfordertldquo und kaumlme
nicht mehr hinterher)
33 Spitzenzaumlhler und Verstaumlrker
Verwendete Materialen wie oben plus Lautsprecher und Verstaumlrker
Versuchsaufbau
Versuchsgang
Verstaumlrkereinstellung Beide Kippschalter nach unten kippen und den Empfindlichkeitssteller
auf 30 mV einstellen
Der Versuchsgang erfolgt wie beim obigen Versuch (32) Auch die Einstellungen an den
Geraumlten ist analog
Ergebnis und Erklaumlrung
Im Prinzip erhaumllt man hier wieder das selbe Ergebnis wie oben nur werden hier die
Entladungen houmlrbar gemacht
Die Entladung fuumlhrt zu einem Anstieg der Spannung im angehaumlngten Hochohmwiderstand
(dieser befindet sich im Adapter) Dieser Anstieg wird verstaumlrkt und mit Hilfe des
Lautsprechers in Form von knackenden Geraumluschen houmlrbar gemacht
Auch hier die Erklaumlrung von oben Die im Versuch auftretenden - oder -Teilchen loumlsen im
elektrischen Feld einzelne Entladungsstoumlszlige aus die mit Hilfe des Elektroskop registriert
werden koumlnnen und anschlieszligend im Lautsprecher zu houmlren sind
34 Reichweite von -Strahlung in Luft
Anmerkung Versuche zur Reichweite von - und -Strahlung erfolgt im Kapitel 4 unter 41
Abb 13
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-16-
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 erlaumlutert
Radioaktive Strahlung laumlsst sich durch ihre ionisierende Wirkung in einer Ionisationskammer
nachweisen Die Ionisationskammer besteht aus einer zylindrischen Dose die mit Luft gefuumlllt
ist und einem isolierten axial angeordneten Stift Zwischen diesen beiden Elektroden wird
eine Spannung angelegt
Ein radioaktives Praumlparat das in der Ionisationskammer zerfaumlllt erzeugt dabei
hochenergetische - oder -Teilchen -Strahlung wird wegen der geringen Wechselwirkung
in einer Ionisationskammer kaum nachgewiesen Waumlhrend der Abbremsung der Teilchen in
der enthaltenen Luft entstehen Elektron-Ionenpaare die im elektrischen Feld getrennt werden
und einen schwachen Ionisationsstrom verursachen (Groumlszligenordnung 10-12 A)
Versuchsgang
Auch fuumlr diesen Versuch benoumltigt man Hochspannung (3 kV) Der Abstand zwischen dem
Baumlndchen und der Gegenelektrode des Elektroskops wird auf 1 cm eingestellt Der
Blechdeckel (vergroumlszligerbare 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 flieszligt ein Ionisationsstrom den man misst
Man wiederholt den Versuch immer wieder und veraumlndert dabei jeweils den Abstand d
Ergebnis und Erklaumlrung
Man sieht dass der Ionisationsstrom ansteigt wenn man den Abstand d vergroumlszligert Der Strom
Abb 14
Blechdeckel
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-17-
erreicht seinen Saumlttigungswert bei circa 5 bis 6 cm Vergroumlszligert man den Abstand noch uumlber
diesen Grenzwert hinaus so steigt der Strom nicht mehr an da die Reichweite der -Strahlen
begrenzt ist
35 Ionisationsvermoumlgen von radioaktiver Strahlung
Verwendete Materiale fuumlr beide untenstehenden Versuche Elektroskop radioaktives
Praumlparat 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 laumldt man mit dem
Stab das Elektroskop positiv auf Nun bringt man die radioaktive Probe in die
Naumlhe 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
Abb15
Abb16
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-18-
Ergebnis und Erklaumlrung
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 laumldt sich dieses auf Ist die
Gegenelektrode des Elektroskops so eingestellt dass das Baumlndchen an ihr nicht
anschlagen kann so stellt sich das Baumlndchen mehr oder weniger schnell auf
seinen Endwert ein Beruumlhrt das Baumlndchen aber die Elektrode so entlaumldt es sich
und der Vorgang begingt von Neuen
Es wurde also gezeigt dass die radioaktive Strahlung die Luft leitend macht
IV Versuche ndash Teil II
41 Das Zaumlhlrohr (Versuchskoffer)
Anmerkung Im Anhang befindet sich eine genaue Auflistung was im Experimentierkoffer
enthalten ist Alle im Folgenden angefuumlhrten Versuch wurden mit eben diesem
Experimentierkoffer durchgefuumlhrt
Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr besteht aus einem Metallzylinder als Kathode der mit
einem Gasgemisch unter geringem Druck gefuumlllt ist Die Anode ist ein duumlnner Draht
(Durchmesser ca005mm) oder wie bei dem Zaumlhlrohr das wir verwendet haben ein weiterer
Zylinder Die Anode ist elektrisch isoliert und uumlber 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
ausloumlsen Nach sehr kurzer Zeit werden die Ladungstraumlger am Zaumlhldraht als Ladungsim-
puls registriert
Das erkennt man daran dass uumlber den Widerstand ein Strom flieszligt welcher gemessen werden
kann Die Impulsgroumlszlige ist jedoch nicht von der Groumlszlige der Primaumlrionisation abhaumlngig sondern
jedes einfallende Teilchen loumlst eine volle Zaumlhlrohrentladung aus Damit ist ein Ruumlckschluss
auf die Energie des einfallenden Teilchens unmoumlglich Das Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr
ermoumlglicht also nur eine Messung des Teilchenflusses
Zaumlhlrohrcharakteristik
Die einfachste Form eines Zaumlhlrohres besteht aus einer Anode und einer Kathode die ein
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-19-
Volumen umschlieszligen (Prinzip des Plattenkondensators) und mit einem Gas (zB Luft oder
Argon) gefuumlllt sind
Will man mit dem Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohr eine Messung durchfuumlhren stellt sich die Frage
wie hoch die Zaumlhlrohrspannung gewaumlhlt werden muss
Die angelegte Spannung trennt die erzeugten Ladungstraumlger und verhindert somit die
Rekombination Gasdetektoren zeigen eine typische Abhaumlngigkeit der Signalstaumlrke 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 Staumlrke der primaumlren Strahlung ist (Anwendung Ionenkammer) Er eignet
sich besonders zum Nachweis von Teilchen mit hoher spezifischer Ionisation (zB
Alphastrahlung)
3 Wird die angelegte Spannung weiter erhoumlht gelangt man in den Proportionalbereich (3)
hier loumlsen die in der primaumlren Ionisation erzeugten Elektronen eine ganze Reihe von
Sekundaumlrionisationen aus (durch Stoszligionisation) die als elektrischer Puls gemessen
werden Haumlufige Verwendung finden Proportionalkammern bei der Vermessung von
Umweltverschmutzungen
4 Im Geiger-Muumlller-Bereich (4) bewirkt das Primaumlrteilchen eine vollstaumlndige Ionisation
des Detektorgases Geiger-Muumlller-Zaumlhlrohre werden zur Aktivitaumltsmessung von
radioaktiven Materialien verwendet da sie ihre Zerfaumllle pro Zeiteinheit messen koumlnnen
5 Erhoumlht man die Spannung weiter (5) kommt es zur selbstaumlndigen Entladung des
Detektors durch Erzeugung von Ladungstraumlgern aus der Kathode In diesem
Betriebsmodus kann der Detektor nicht mehr zur Messung verwendet werden
411 Der Nulleffekt
Wie in 21 schon erwaumlhnt worden ist sind wir Menschen auf der Erde andauernd von radio-
Abb 17
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-20-
aktiver Strahlung umgeben Diese Strahlung (auch Nulleffekt genannt) ist von Ort zu Ort
verschieden und verfaumllscht die Messergebnisse bei Versuchen mit radioaktiven Praumlparaten
Also misst man einmal vor Beginn der Zaumlhlrohrversuche die Strahlung die in der Umgebung
vorhanden ist
Es ist wichtig dass man die Messdauer moumlglichst lang waumlhlt da dadurch die statistischen
Fehler geringer sind
Aufbau
In der Versuchsanordnung befindet sich keine radioaktive Probe Es wird einfach nur das
Zaumlhlrohr auf die Unterlage gesteckt und der Nulleffekt gemessen
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse1 010 2
100 241000 191
Das heiszligt wir hatten im Schulversuchpraktikum einen Nulleffekt von 0191 ImpulsenSek
412 Bestimmung der Zaumlhlrate
Nun wird derselbe Versuch noch einmal durchgefuumlhrt nur steckt man hier in 2 cm Abstand
eine radioaktive Probe (bei uns Caumlsium 137) auf das Steckbrett
Anmerkung Die effektive Zaumlhlrate sind die Impulse in einer gewissen Zeitspanne minus dem
Nulleffekt
Resultat bei unserer Messung
Zeitspanne [s] Impulse [Imp] Nulleffekt [Imps] effektive Zaumlhlrate [Imps]1 24 0191 23809 10 321 0191 31909
100 3060 0191 30409
413 Das Abstandgesetz
Die Intensitaumlt radioaktiver Strahlung haumlngt vom Abstand der Quelle zum Zaumlhlrohr ab Je
Abb 18
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-21-
weiter die Quelle vom Zaumlhler 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 (Caumlsium) und Zaumlhlrohr wird aber nach jeder Messung vergroumlszligert
Resultat bei unserer Messung
Abstand [cm] Messzeit [s] Impulse10s effektive Zaumlhlrate [Imps]1 10 5735 571592 10 3423 340394 100 1291 127196 100 613 59398 100 351 3319
Stellt man die Messergebnisse graphisch dar so erkennt man dass die Impulse mit
1(Abstand)sup2 abnehmen
Abstandsgesetz
34039
12719 3319
5716
0
100
200
300
400
500
600
700
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9Abstand [cm]
Impu
lse
10s
gemessene Abstandskurve Ausgleichskurve
5939
414 Lage des Zaumlhlrohrs relativ zur Strahlungsquelle
Aufbau
Abb 19
Abb 20
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-22-
Der Abstand Quelle (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr der nicht mehr veraumlndert werden darf betraumlgt bei
allen Versuchsgaumlngen ca 4 cm Jetzt wird fuumlr alle Winkel (-45deg -30deg 0deg 45deg) die
Zaumlhlrate gemessen und in eine Tabelle eingetragen Die Messdauer betraumlgt jeweils 100
Sekunden
Anmerkung Die Stahlumhuumlllung der Probe verhindert eine radiale Ausbreitung der
radioaktiven Strahlung im Raum Dadurch ist das Ergebnis verfaumllscht
Resultat bei unserer Messung
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp10s effektive Zaumlhlrate [Imp10s] rel Zaumlhlrate []-45 100 220 21809 1731-30 100 283 28109 2231-15 100 698 69609 55240 100 1262 126009 10015 100 717 71509 567530 100 341 33909 269145 100 275 37309 2961
Graphische Auswertung der Messdaten
Lage Quelle-Zaumlhlrohr
0200400600800
100012001400
-60 -45 -30 -15 0 15 30 45 60
Winkel [deg]
Impu
lse
10s
gemessene Kurve
415 Ablenkung im Magnetfeld
Radioaktive Strahlung wird im Magnetfeld unterschiedlich abgelenkt -Strahlung wird in
Richtung des Nordpols und -Strahlung in Richtung des Suumldpols des Magnetfeldes abgelenkt
-Strahlen hingegen gehen ungehindert durch das Magnetfeld hindurch (siehe Abbildung 22)
Abb 21
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-23-
Unsere Probe Caumlsium sendet -Strahlen und -Strahlung aus
Versuchsaufbau
Das Caumlsium-137 wird wie in der Abbildung zu sehen ist in Position gebracht Fuumlr jeden
Winkel werden die Impulse gemessen Die Messzeit betraumlgt jeweils 100 Sekunden und der
Abstand zwischen Quelle und Zaumlhlrohr circa 5-6 cm
Man fuumlhrt jeweils zwei Versuchsreihen durch einmal ist der Nordpol des Magneten oben und
einmal der Suumldpol
Resultat bei unserer Messung mit dem Nordpol auf der Oberseite (siehe Abbildung 23)
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 184 164930 100 175 155915 100 166 14690 100 193 1739
-15 100 106 0869-30 100 319 2999-45 100 398 3789
Resultat bei unserer Messung mit dem Suumldpol auf der Oberseite
Winkel [deg] Messzeit [s] Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]45 100 171 151930 100 163 143915 100 155 1359
Abb 22
Abb 23
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-24-
0 100 206 1869-15 100 101 0819-30 100 306 2869-45 100 379 3599
Vergleicht man diese beiden Messungen so kann man die jeweilige Polung des Magneten
auch aus den Messergebnissen herauslesen
416 Abschwaumlchung von - - und - Strahlung
Der naumlchste Versuch zeigt in wie weit die verschiedenen Strahlungen durch unterschiedliche
Materialen abgeschwaumlcht werden
Verwendete Materialen Plexiglas- Aluminium- und Eisenplatte und das Caumlsiumpraumlparat
Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen siehe Abschnitt 22
Die Absorption von -Strahlen wird durch folgenden Versuch analysiert Zuerst wird die
Messung ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann klebt man nach einander Klebestreifen in den
Strahlengang Man klebt so viele Streifen in den Strahlengang bis in etwa nur mehr die Haumllfte
der urspruumlnglichen Strahlung vorhanden ist Der Abstand Quelle (Americium-241 =
Alphastrahler)-Zaumlhlrohr betrug dabei 15 cm
Aufbau
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Anzahl der Klebestreifen Imp100s effektive
Zaumlhlrate [Imps]Absorption
in vom Material absorbierte
Impulse [Imp100s]0 4078 40589 --- ---1 2997 29779 735 10812 2398 23789 588 16803 2080 20609 510 1998
Abb 24
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-25-
Graphische Darstellung
Absorption der Alpha-Strahlung
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 1 2 3Anzahl der Klebestreifen
Anz
ahl d
er Im
ulse
[Im
p10
0s]
gemessene Kurve
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei 7 cm
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse [Imp100s]
Absorption in
Luft 133 1139 --- ---Plexiglas 80 0609 53 40
Aluminium 76 0569 57 429Eisen 63 0439 70 526Blei 51 0319 82 617
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 (Caumlsium-137)-Zaumlhlrohr betrug dabei wiederum 7 cm
(wichtig)
Bei einer Messzeit von 100 Sekunden erhielten wir folgende Ergebnisse
Material Imp100s
effektive Zaumlhlrate [Imps]
vom Material absorbierte Impulse
[Imp100s]
Gesamte Absorption
in
Impulse d Beta-strahlung
Luft 398 3789 --- --- 265Plexiglas 109 0899 289 726 29
Aluminium 90 0709 308 774 14Eisen 70 0509 328 824 7Blei 60 0409 338 849 9
Abb 25
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-26-
417 Halbwertsschichtdicke fuumlr Gammastrahlen
Die Halbwertszeit ist ja bekanntlich jene Zeit nach der nur mehr die Haumllfe des radioaktiven
Stoffes vorhanden ist Bei der Halbwertsschichtdicke verhaumllt es sich genauso Sie gibt an bei
welcher Schichtdicke nur mehr die Haumllfte der urspruumlnglichen Strahlungsintensitaumlt vorhanden
ist Die Halbwertsschichtdicke ist sehr stark materialabhaumlngig und kann aus dem
Absorptionsgesetz ausgerechnet werden
Absorptionsgesetz
I = Io e - d
Io Intensitaumlt vor Eintritt in die Materie
I Intensitaumlt nach Durchgang durch die Materie
Absorptionskoeffizient
d Dicke der Materialschicht
Setzt man den Quotient IIo gleich 21 so ist die Halbwertsschichtdicke gegeben
21
= e - d d = -1 ln
21
Aufbau
Der Magnet bewirkt dass nur die Gammastrahlung am Detektor ankommt Zuerst wird der
Versuch ohne Absorber durchgefuumlhrt und dann werden der Reihe nach unterschiedlich dicke
Bleiplatten in den Strahlengang eingebaut Bei einer Messzeit von 100 Sekunden und einem
Abstand Quelle- Zaumlhlrohr von 6 cm werden die ankommenden Impulse gemessen Wir haben
bei diesem Versuch wieder die Caumlsiumquelle verwendet
Unsere Messergebnisse
Bleiplattendicke Imp100s eff Zaumlhlrate [Imp100s] effektive Zaumlhlrate [Imps]Luft 93 739 0739
1 mm 65 459 04593 mm 54 269 02696 mm 45 169 01699 mm 33 139 0139
Abb 26
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-27-
Graphische Auswertung
Halbwertsschichtdicke
01020304050607080
0 2 4 6 8 10Dicke der Bleiplatten
eff
ZR [I
mp
100
s]
gemessene Kurve
Dieses Diagramm spiegelt das obige Gesetz (I = Io e - d ) recht gut wider
418 Ruumlckstreuung von Betastrahlung
Trifft Betastrahlung auf Materie so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und ein Teil in alle
Raumrichtungen gestreut Dabei ist eine Gesetzmaumlszligigkeit erkennbar Je groumlszliger die
Ordnungszahl des bestrahlten Materials desto groumlszliger ist auch die Streuung
Diese Gesetzmaumlszligigkeit soll der naumlchste 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 Caumlsium-137
Messzeit 100s
Abb 27
Abb 28
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-28-
Unsere Messergebnisse
Leerwert 986 Imp1000s 105 Imp100s
Man sieht dass mit steigender Ordnungszahl die Ruumlckstreuung zunimmt
Anmerkung Diese Versuchsprinzip findet bei der Fuumlllstandskontrolle von Fluumlssigkeits-
behaumlltern eine Anwendung
419 Dickenmessung
Auch die Dickenmessung beruht wie der vorherige Versuch auf dem Effekt der Absorption
Fuumlr das Verstaumlndnis der Dickenmessung genuumlgt es zu zeigen dass die Abweichungen von
einer gewaumlhlten Dicke festgestellt werden koumlnnen
Aufbau
Bei unserem Versuch haben wir Alufolien untersucht Zuerst wurden 3 Folien auf die groszlige
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 Zaumlhlrate kann man auf die Dickenaumlnderung schlieszligen
Messzeit 100s
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Caumlsium-137
Resultat bei unserer Messung
Folienanzahl Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]3 1543 152393 1539 151993 1459 14399
Mittelwert 1514 14946
Material Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps] OrdnungzahlPlexiglas 113 0939 kleiner als 12
Aluminium 116 0969 13Eisen 129 1099 26Blei 153 1133 82
Abb 29
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-29-
6 1034 101496 1104 108496 995 9759
Mittelwert 1044 10252
Man sieht also dass man mit 6 Folien 470 Impulse weniger misst Das heiszligt die Schicht ist
dicker geworden
4110 Abschwaumlchung der Strahlung in Materie
Durchdringt Strahlung zum Beispiel Wasser so wird die Intensitaumlt der Strahlung geschwaumlcht
Auch diese Abnahme folgt dem Absorptionsgesetz I = Io e - d Wir haben diesen Versuch mit
einem Plastikbecher gefuumlllt mit Wasser durchgefuumlhrt
Die Messzeit wird relativ lang gewaumlhlt 1000 Sekunden
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 4 cm
Dicke das Wasserbechers 25 cm
Quelle Radium-226
Aufbau
Resultat
Imp1000s eff Zaumlhlrate [Imps]leerer Becher 1006 0815
mit Wasser gefuumlllter Becher 524 0333
Das heiszligt bei einer Wasserdicke von 25 cm wird rund 50 der urspruumlnglichen Intensitaumlt
absorbiert
4111 Modell einer Stuumlckzahlmessung
Verschieden dichte Materialien absorbieren ionisierende Strahlung unterschiedlich Auf
diesem Prinzip beruht die Stuumlckzahlmessung
Anwendung in der Industrie
Fehlt beispielsweise eine Zigarette in einer Zigarettenpackung so ist an dieser Stelle ein
Abb 30
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-30-
Hohlraum Mit einem geeigneten Detektor kann man diesen lokalisieren da die
Detektorzaumlhlrate an dieser Fehlstelle ansteigt In der Industrie werden solche fehlerhaften
Packungen dann vollautomatisch aussortiert
In unserem Versuch haben wir eine Acrylplatte (teilweise mit Bleikugel gefuumlllt) verwendet
um diesen Vorgang nachzuahmen
Die Acrylplatte wird zwischen Quelle und Detektor gestellt und jeweils an verschiedenen
Stellen der Platte die Zaumlhlrate bestimmt (einmal links vom Hohlraum einmal im Hohlraum
einmal rechts vom Hohlraum)
Abstand Quelle-Zaumlhlrohr 15 cm
Quelle Radium-226
Messzeit 100s
Unser Ergebnis
An diesen Ergebnissen sieht man das an der Hohlraumstelle deutlich mehr Impulse registriert
wurden Das heiszligt diese Stelle hat eine andere Dichte Vor und nach dem Hohlraum ist die
Zaumlhlrate annaumlhernd gleich
42 Das Zaumlhlrohr (Computer)
Versuchsvorbereitung (siehe auch Folie im Anhang)
Zuerst schaltet man die di-Box an und startet anschlieszligend den Computer Wenn man dann
das Zaumlhlrohrprogramm startet so ist am Computer folgendes Bild zu sehen
Messpunkt Imp100s eff Zaumlhlrate [Imps]vor dem Hohlraum 61 0419
Hohlraum 90 0709nach dem Hohlraum 70 0509
Abb 31
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-31-
In den 3 Rechtecken (Zaumlhlrate Impulszahl pro Zeitintervall Zeit bis zum naumlchsten Ereignis)
stehen die moumlglichen Versuche die man mit einem Mausklick aktivieren kann
421 Zaumlhlrate
Bei diesem Versuch wird die mittlere Anzahl der Zerfaumllle einer radioaktiven Probe gemessen
Die Entfernung Quelle-Zaumlhlrohr betrug dabei ca 1 cm (die Anzahl der Impulse haumlngt sehr
stark von eben dieser Entfernung ab)
Folgende Abbildungen haben wir erhalten
Fuumlr das Radiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Radium ca 470 ZerfaumlllSekunde
aufweist
Abb 32
Abb 33
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-32-
Fuumlr das Caumlsiumpraumlparat
Aus dieser Abbildung laumlsst sich herauslesen dass Caumlsium ca 125 ZerfaumlllSekunde aufweist
422 Statistik des radioaktiven Zerfalls
Anzahl der Ereignisse in einer vorgegebenen Zeit
Fuumlhrt man einen radioaktiven Zerfallsversuch mehrmals hintereinander durch so wird man in
einer bestimmten Zeit T nicht immer die selbe Anzahl von Zerfaumlllen (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 Maszlig fuumlr diese
Schwankungen Das Poissonsche Verteilungsgesetz liefert einen allgemeinen Ausdruck fuumlr
die Wahrscheinlichkeit Pn (Poissonverteilung) in einer Zeit T eine Anzahl von n Zerfaumlllen zu
beobachten
Poissonsches Verteilungsgesetz
TNn
n enTNTP
)()(
T Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
Pn Wahrscheinlichkeit
Abb 34
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-33-
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Graphische Darstellung der Poissonverteilung
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0nn TNPnn
Anmerkung Das Produkt aus N und wird auch kurz als micro bezeichnet und bedeutet die
mittlere Zaumlhlrate (mittlere Anzahl der Zerfaumllle pro Zeiteinheit)
Versuch
Mit dem zweiten Versuch (Impulszahl pro Zeitintervall) wird gemessen wie oft ein Ereignis
in einem gegebenen Zeitintervall eintrifft
Ein Beispiel Das gewaumlhlte Zeitintervall ist eine Sekunde Nun messen wir wie viele Zerfaumllle
in dieser Zeit registriert werden Die Anzahl der Zerfaumllle werden im Diagramm auf der x-
Achse aufgetragen Auf der y-Achse wird die Haumlufigkeit aufgetragen (dh wie oft eine
bestimmte Anzahl von Zerfaumlllen im gewaumlhlten Zeitintervall auftreten) Dieser Versuch wird
sehr oft durchgefuumlhrt 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
Abb 35
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
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Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
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Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-34-
Folgenden Verteilung ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 21 Minuten)
Anmerkung Die gruumlne Kurve symbolisiert den theoretischen Verlauf des Zerfalls (vom
Computer berechnet) Je kleiner der Abstand zwischen den 3 gruumlnen Kurven ist desto
genauer ist die Poissonverteilung
Wie man in diesen Diagrammen sieht gibt es 3 einzustellende Parameter die Kanalbreite n
die Kanaumlle die Messzeitdauer
Abb 36
Abb 37
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-35-
Die Kanalbreite wird uumlblicherweise recht klein gewaumlhlt (bei uns 2) da diese fuumlr die Aufloumlsung
der Kurve verantwortlich ist und dadurch auch die Messzeitdauer klein gehalten werden kann
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Dazu brauchen wir die Zerfallsrate die wir vorhin zB bei Caumlsium mit 125 s-1 bestimmt
haben In 01 Sekunden haben wir im Mittel 12-13 Zerfaumllle also waumlhlen wir die
Messzeitdauer T = 01 s Die Anzahl der Kanaumlle ist durch 2 die Anzahl der mittleren
Zerfaumllle bestimmt also 26 Da die Kanaumlle aber nur in 10er Schritten angegeben werden waumlhlt
man 30 Kanaumlle
Anmerkung Man kann auch mehr Kanaumlle waumlhlen (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 naumlchsten Ereignis
Neben dem oben diskutierten Problem ist auch die Frage interessant wie groszlig die
Wahrscheinlichkeit ist dass nach einem einzelnen Zerfall der naumlchste (n+1) der uumlbernaumlchste
(n+2) usw 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 willkuumlrlich gewaumlhlten Zeitpunkt startet
Die Wahrscheinlichkeit gehorcht folgender Formel
dtNen
tNtE tNn
n
)1()()(
1
t Zeit
n Anzahl der Zerfaumllle
En Wahrscheinlichkeit
N Anzahl der radioaktiven Atome
die dazugehoumlrige Zerfallswahrscheinlichkeit
Den Mittelwert dieser Verteilung erhaumllt man aus folgender Beziehung
0
)(N
ntEtt n
Setzt man n=1 so erhaumllt man die sogenannte Exponentialverteilung dh die
Wahrscheinlichkeit dass nach einer Zeit t im Zeitintervall dt das naumlchste Ereignis beobachtet
wird Diese Wahrscheinlichkeit ist gegeben durch
E t e dtt1( )
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-36-
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 naumlchste Ereignis eintritt (dh unmittelbar nach dem Beginn der
Messung)
Versuch
Bei dem Versuch bdquoZeit bis zum naumlchsten Ereignisldquo wird die Messung bei einem registrierten
Zerfall begonnen und beim naumlchsten registrierten Zerfall gestoppt Zwischen diesen beiden
Zerfaumlllen liegt ein Zeitintervall T Diese gemessenen Zeitintervalle zwischen zwei aufein-
anderfolgenden Ereignissen wird auf der x-Achse aufgetragen Die Haumlufigkeit (dh wie oft
ein und dasselbe Zeitintervall zwischen zwei Zerfaumlllen gemessen wird) wird auf der y-Achse
aufgetragen Fuumlhren wir diesen Versuch sehr oft durch so erhaumllt man wieder eine Verteilung
diesmal keine Poissonverteilung sondern eine Exponentialverteilung
Wie waumlhlt man die Einstellungen
Ein Beispiel Caumlsium hat ja wie gesagt eine mittlere Zaumlhlrate von 150 s-1 Daraus kann man
nun berechnen wie groszlig die Zeit zwischen zwei Ereignissen ist Die Zeit ist der Kehrwert
also T = 1150 s-1 = 0007 Sekunden (kann auch kleiner gewaumlhlt werden) Soll die Verteilung
95 der Ereignisse anzeigen so muss die Anzahl der Kanaumlle mindestens ln (1-095) T
betragen Also benoumltigt man bei dem angefuumlhrten Beispiel mindestens 20 Kanaumlle
Abb 38
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-37-
Folgende Verteilungen ergaben unsere Messungen
Fuumlr Radium (die Messzeit betrug dabei 14 Minuten)
Fuumlr Caumlsium (die Messzeit betrug dabei 23 Minuten)
Anmerkung Man beachte die gewaumlhlten Einstellungen bei unseren Messungen
Abb 39
Abb 40
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-38-
V Zusatzinformationen
51 Grundbegriffe der Dosimetrie
Es gibt einige Begriffe die die Gefaumlhrlichkeit und die Wirkung von radioaktiven Substanzen
beschreiben
Uumlberblick uumlber einige Begriffe
Die Aktivitaumlt oder Zerfallsrate einer Quelle ist die Zahl der Zerfaumllle pro Sekunde
ihre Einheit ist das
Becquerel [Bq]=[s-1] (Fruumlher 1 Curie [Ci] = 37 1010 Bq)
Die Energiedosis ist ein Maszlig fuumlr die in Materie absorbierte Strahlungsenergie Die
Einheit der Energiedosis ist 1 Gray [Gy] = 1 Jkg (Fruumlher 1 rad [rd] = 001 Jkg)
Da eine direkte Messung der Energiedosis sehr schwierig ist wird im allgemeinen die
Ionendosis gemessen deren Einheit 1 Coulombkg ist (fruumlher 1 Roumlntgen [r] = 258
10-4 Ckg Da etwa 33 eV im Mittel zur Erzeugung eines Ionenpaares in Luft benoumltigt
werden entspricht dies etwa einer Energiedosis von 001 rd) Die Ionendosis ist der
Betrag der elektrischen Ladungen gleichen Vorzeichens die pro Kilogramm des
bestrahlten Koumlrpers erzeugt werden
Die Ionendosisleistung ist die Ionendosis pro Zeiteinheit Die SI - Maszligeinheit ist 1
Akg (Ampere pro Kilogramm)
Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung haumlngt von ihrer spezifischen
Ionisierungsfaumlhigkeit ab Bei gleicher Ionendosis haben zum Beispiel Neutronen
Protonen Alpha- Beta- oder Gammastrahlen unterschiedliche biologische Wirkung
Diese Tatsache wird durch den Qualitaumltsfaktor beruumlcksichtigt
Jede Strahlungsart erhaumllt so einen bestimmten Qualitaumltsfaktor
Strahlungsart Qualitaumltsfaktor
Roumlntgenstrahlung 1
- Strahlung 20
- Strahlung 1
- Strahlung 1
langsame Neutronen 3
schnelle Neutronen 10
Elektronen 1
Protonen 5
Das Produkt aus Energiedosis und Qualitaumltsfaktor nennt man die Aumlquivalenzdosis
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-39-
Die SI - Maszligeinheit ist 1 Sv (Sievert=Joule pro Kilogramm)
Bei einer Ganzkoumlrperbestrahlung innerhalb von 48 Stunden (Sofortdosis) sind
abhaumlngig von der aufgenommen Aumlquivalentdosis folgende Schaumlden zu erwarten
025 Sv reversible Veraumlnderungen im Blutbild
1 Sv Uumlbelkeit Erbrechen Schwindel Verdauungsstoumlrungen (reversibel)
4 Sv 50 der exponierten Personen sterben (halbletale Dosis)
7 Sv nahezu alle exponierten Personen sterben (letale Dosis)
Bei der Berechnung der effektiven Aumlquivalentdosis wird zusaumltzlich noch die
unterschiedliche Empfindlichkeit der Organe in Bezug auf Strahlung beachtet
Wiederum werden verschiedene Gewebetypen unterschiedlich gewichtet wobei die
Summe uumlber den ganzen Koumlrper 1 ist Dabei gehoumlren die Keimdruumlsen (025) die
Lunge (012) rotes Knochenmark (012) und Nervengewebe zu den empfindlichsten
Koumlrperteilen waumlhrend Muskelgewebe (003) und die Haut eher unempfindlich sind
52 Sicherheitshinweise im Umgang mit radioaktiven Stoffen
Der Umgang mit radioaktiven Stoffen ist aufgrund der ionisierenden Wirkung und der
toxilogischen Eigenschaften gefaumlhrlich Mit radioaktiven Stoffen muss man besonders
sorgsam umgehen Grundsaumltzlich 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 unnoumltige
Bestrahlung von Personen Sachguumltern oder der Umwelt zu verhindern
Generell gilt
Mit radioaktiven Praumlparaten sollten nur befugte Personen hantieren
Abschirmung von radioaktiver Strahlung
Das oberste Strahlenschutzgebot ist jede Strahlenbelastung auch unterhalb der gesetzlich
festgelegten Grenzen so gering wie moumlglich zu halten Da die Intensitaumlt einer gleichmaumlszligig in
den Raum strahlenden Quelle mit 1(Entfernung)2 abnimmt ist eine effektive Methode sich
vor Strahlung zu schuumltzen
ABSTAND HALTEN
Natuumlrliche und zivilisatorische Strahlenbelastung
In Oumlsterreich ist die mittlere Strahlenbelastung durch natuumlrliche Strahlung etwa 12 mSv pro
Jahr Dieser Wert unterliegt starken regionalen Schwankungen und ist houmlhenabhaumlngig
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-40-
Hier zum Vergleich einige zivilisatorische Strahlenbelastungen
Die Aumlquivalenzdosis waumlhrend eines Fluges in 10 Km Houmlhe betraumlgt ca 2mSvh
Die letale Ganzkoumlrperdosis betraumlgt ca 7 Sv In 50 der Faumllle tritt dann nach ca 1 Monat
der Tod ein Zum Vergleich sei erwaumlhnt dass bei einer Krebsbehandlung lokal bis zu 50 Sv
erreicht werden koumlnnen
Grenzwerte der Strahlenbelastung
Zum Schutz der Bevoumllkerung muumlssen Bereiche in denen mit radioaktiven Stoffen
umgegangen wird in Gruppen unterteilt werden und auszligerdem unterliegen diese Bereiche
einer gesetzlichen Uumlberwachungspflicht
Sperrbereich Bereiche in denen die Ortsdosisleistung groumlszliger als 3 mSvh sein kann
Kontrollbereich Bereiche in denen Personen eine Ganzkoumlrperdosis groumlszliger als 15 mSva aber
weniger als 50 mSva ausgesetzt sein koumlnnen Diese Bereiche sind nur Personen zugaumlnglich
die dort beruflich taumltig sind
Uumlberwachungsbereich Man unterscheidet zwischen betrieblichen Uumlberwachungsbereich
wo die Dosisleistungsgrenze zwischen 5 mSva und 15 mSva betragen darf und dem ausser-
betrieblichen Uumlberwachungsbereich wo die Grenze von 5 mSva nicht uumlberschritten werden
darf
Umgang mit radioaktiven Quellen
Die Quellen befinden sich in der Regel in abgeschirmten Behaumlltern und auszligerdem versiegelt
Deshalb besteht nach auszligen keine Gefahr es sei denn man zerstoumlrt das Gehaumluse
Falls es mal zur Zerstoumlrung eines Quellengehaumluses kommen sollte dann gilt fuumlr die
Schuumller Nichts anfassen und sofort dem Lehrer Bescheid sagen
Allgemein gilt
In Raumlumen in denen mit radioaktiven Substanzen umgegangen wird darf weder
gegessen getrunken noch geraucht werden
Vermeide die Quellen mit den Fingern zu beruumlhren
Halte die Quelle immer moumlglichst weit vom Koumlrper weg Achte dabei aber darauf
dass du keine andere Person bestrahlst
53 Praktische Anwendungsmoumlglichkeiten von Radionukliden
Allgemein Radioaktive Isotope fuumlr den technischen Einsatz werden groszligteils mit
Teilchenbeschleunigern oder mit Kernreaktoren hergestellt Isotope werden vielfaumlltig
eingesetzt Sie werden zur radioaktiven Markierung benutzt Radioaktive Isotope reagieren
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-41-
chemisch genauso wie stabile Isotope Die radioaktiven Isotope werden in gleichwertige
Verbindungen eingebaut und dadurch koumlnnen zum Beispiel Mischvorgaumlnge oder Kreislaumlufe
(zB Abgasstroumlmungen) beobachtet und kontrolliert werden
Anwendung von +-Strahlern in der Medizin
Ein Zyklotron dient zur Herstellung von F189 das als radioaktiver +-Strahler in der Positron
ndash Emission ndash Tomographie (kurz PET) verwendet wird
Zerfall
eOF 188
189
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 Koumlrper 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
Koumlrper und werden in rund um den Koumlrper aufgestellten Zaumlhlern registriert Aus ihren
Richtungen laumlsst sich der Ort der Entstehung sehr genau ermitteln
Andere Anwendungen
In der Landwirtschaft werden radioaktive Isotope eingesetzt um den Kreislauf des Duumlngers
zu verfolgen Vorzugsweise werden radioaktiver Stickstoff ( N15 ) und Phosphor ( P32 )
verwendet
Auch bei der Bekaumlmpfung von Insekten werden radioaktive Nuklide eingesetzt Man zuumlchtet
im Labor einige maumlnnliche Insekten und bestrahlt diese Die Wirkung ist enorm nach der
Bestrahlung sind die Insekten sterilisiert Diese Insekten werden dann anschlieszligend
freigelassen Paaren sich diese unfruchtbaren Insekten mit weiblichen Insekten so sind auch
die Eier unfruchtbar Dadurch wird die Insektenpopulation eingeschraumlnkt
Bei der Konservierung von Lebensmitteln erweist sich ionisierende Strahlung als sehr
nuumltzlich Krankheitserreger werden durch die Bestrahlung mit -Quanten abgetoumltet und die
Haltbarkeit von Nahrungsmitteln steigt durch Bestrahlung da der Reifungsprozess verzoumlgert
wird
Eine wichtige Anwendung von radioaktiven Stoffen ist die C-14-Methode in der Archaumlologie
Durch kosmische Strahlung wird in unserer Erdatmosphaumlre staumlndig C-14 erzeugt Dieses C-14
hat eine sehr hohe Halbwertszeit (5700 Jahre) Es verbindet sich mit Sauerstoff zu
radioaktiven Kohlendioxid Alle auf der Erde lebenden Organismen nehmen diese
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-42-
Verbindung in sich auf und diese zerfaumlllt 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 zerfaumlllt weiter Entnimmt man eine
Probe und bestimmt den C-14 Gehalt so kann man daraus den Zeitpunkt des Todes des
Organismus berechnen
54 Gesundheitliche Auswirkungen ionisierender Strahlung
Als die Roumlntgenstrahlung entdeckt wurde ging man sehr nachlaumlssig mit dieser Strahlung um
da man die Folgen noch nicht kannte Man stellte bald fest dass sie die menschliche Haut
durch haumlufige Bestrahlung roumltete Spaumlter untersucht man diese Hauterscheinungen genauer
und man stellte fest das die ionisierte Strahlung Koumlrperzellen zerstoumlrt Hochenergetische
Strahlung (Elektronen Protonen Photonen und Neutronen) ionisieren Atome und Molekuumlle
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-Straumlnge kommen Bleibt ein Strang intakt so kann die Zelle den Schaden
selbstaumlndig reparieren Werden beide Straumlnge durchtrennt ist das nicht mehr moumlglich und der
Strahlenschaden kann zum Zelltod fuumlhren Durch Bestrahlung kann die in den Zellen
gespeicherten Erbinformationen veraumlndert werden Diese Veraumlnderungen koumlnnen aber auch zu
einer Fehlfunktion jeder einzelnen Zelle fuumlhren Diese Fehler werden dann durch die
natuumlrliche Zellteilung an die neugebildeten Zellen weitergegeben Diese Fehlerentstehung
muss aber nicht unbedingt ausschlieszliglich durch Strahlung erfolgen Sie kann auch ein Resultat
von Umwelteinfluumlssen sein Jede Zelle besitzt einen sogenannten Reparaturmechanismus der
etwaige Fehler in der Zelle berichtigen kann doch arbeitet dieser Mechanismus nicht immer
fehlerfrei
Waumlhrend der Zellteilung reagieren die Zellen sehr empfindlich auf Strahlungsschaumlden Die
Organe in z B menschlichen Organismen reagieren unterschiedlich empfindlich auf
Strahlung Blutbildende Organe und die Keimdruumlsen sind dabei am empfindlichsten
(Knochenmark Milz ) Auch ein Embryo ist aufgrund der raschen Zellteilung sehr
empfindlich gegenuumlber Strahlenschaumlden (es koumlnnen genetische Strahlenschaumlden = Erbschaumlden
auftreten)
Strahlenspaumltschaumlden sind zum Beispiel Krankheiten wie Leukaumlmie und Krebs Durch eine
groszlige Strahlenbelastung ist das Krankheitsrisiko houmlher aber theoretisch reicht ein einziger
Radionuklid aus um eine Strahlenkrankheit auszuloumlsen
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-43-
VI AnmerkungZum Einsatz im Unterricht
Saumlmtliche angefuumlhrten Versuche sind durchaus fuumlr den Unterricht der 8 Klasse geeignet Sie
sind sehr einfach durchzufuumlhren und mit den in dem Kapitel II aufgelisteten Grundlagen
problemlos zu erklaumlren
Pro und Kontra von den Versuchen ohne Computer Diese sind zwar in der Regel sehr
anschaulich aber ein negativer Punkt sei erwaumlhnt Das verwendete Zaumlhlrohr gibt immer einen
Piepton von sich wenn er einen Impuls registriert Das koumlnnte im Unterricht durchaus als
stoumlrend empfunden werden
Mit dem Computerprogramm (keine Pieptoumlne - von sofern ein Vorteil) koumlnnte man
theoretisch dieselben Versuche durchfuumlhren 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 Schuumllern auswerten
Wie bereits in den erforderlichen Voraussetzungen erwaumlhnt ist es wichtig dass die Schuumller
bereits uumlber das Wissen der Poissonverteilung und der Exponentialverteilung verfuumlgen Dieses
Thema sollte aber in der 8 Klasse im Mathematikunterricht schon durchgenommen worden
sein Der Physiklehrer sollte unter Umstaumlnden 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 Einfuumlhrung uumlber diese Verteilungen im
Physikunterricht zu geben
Ohne dieses Wissen wird es den Schuumllern nicht moumlglich sein den physikalischen Hintergrund
dieser Versuche vollstaumlndig zu verstehen
Die oben angefuumlhrten Versuche sollen dem Lehrer eine Wahlmoumlglichkeit geben denn es ist in
der Schuumlle nicht moumlglich alle obigen Versuche durchzufuumlhren Auf die grundlegenden
Versuche wuumlrde ich allerdings nicht verzichten
Anmerkung zum Protokoll Das Protokoll ist etwas lang geraten Das liegt aber daran dass
wir fuumlr die Versuche 2 frac12 Wochen Zeit hatten und das Thema Radioaktivitaumlt so viele
unterschiedliche Versuche bietet
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-44-
VII Literatur
Verwendete Buumlcher
Physik 4 (Oberstufe) (Kraker Paill)
Physikbuch 4 Klasse (Oberstufe) (Sexl)
Basiswissen 4 (Jaros Nussbaumer Kunze) ndash Houmllder-Pichler-Tempsky Wien
Internetlinks
wwwmpi-hdmpgdeArbeitsicherheitallgemeinhtml
wwwibl-hamburgcomaadeu de
Mappen
Oumlsterreichische Kerntechnische Gesellschaft Versuche zur Radioaktivitaumlt
Kernphysikalische Experimente Radioaktivitaumlt im Unterricht
Experimente zur Schulphysik Teilgebiet 14 M Bernhard s Jezik
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-45-
Inhalt des Experimentierkoffers
1 Digitalzaumlhler mit Netzgeraumlt
1 Geiger-Muumlller Zaumlhlrohr
1 Cs-137-Quelle
1 Am-241-Quelle
1 Quellenhalterung
1 Zaumlhlrohrhalterung
1 Grundplatte
1 Hartpapierplatte (PERTINAX) 05 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 5 mm
1 Plexiglasplatte (ACRYL) 3 mm
1 Aluminiumplatte mit groszligem Loch (Halterung)
1 Aluminiumplatte 05 mm
1 Aluminiumplatte 5 mm
1 Eisenplatte 05 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 Kunststoffbehaumllter (+ 2 Gummiringe und 2 Plastikschrauben) )
1 Rolle Selbstklebeband
1 Versuchsbeschreibung
1 Nuklidkarte (faltbar)
2 Aluminiumstaumlbchen (als Halterung)
) Die Plastikschrauben dienen zur Befestigung der Aufstellwinkel zum Kippen der
Grundplatte um 45deg fuumlr den Lehrbetrieb Aufstellwinkel unter der Grundplatte im Koffer
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-46-
Der Inhalt des Koffers auf einen Blick
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-47-
FOLIEN
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-48-
Das Ionisationsvermoumlgen radioaktiver Strahlung
-Strahlung
--Strahlung
+-Strahlung
Ein langsames Neutron
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-49-
Ein schnelles Neutron
Ein niederenergetisches Photon
Ein mittelenergetisches Photon
Ein hochenergetisches Photon
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
-50-
DAS COMPUTERPROGRAMM (AUSBAU)
Verlauf der Poissonverteilung
Verlauf der Exponentialverteilung
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