Physik


Strahlenschutzkurs

I.       Entdeckung der radioaktiven Strahlung

Im Jahre 1896 setzte Becquerel unter anderem auch Proben von Uranerzen dem Sonnenlicht aus, um anschließend ihre Fluoreszenz zu untersuchen. 
Diese Proben legte er auf eine lichtundurchlässig verpackte Fotoplatte. Als er die Platte nach einiger Zeit entwickelte, war sie belichtet. Das uranhaltige Mineral hatte Spuren hinterlassen. 
Bei den weiteren Untersuchungen stellte er fest, dass Uranerze auch ohne vorherige Bestrahlung mit Sonnenlicht ständig eine unsichtbare Strahlung aussenden, die Papier, Blech- oder sogar Bleiplatten durchdringen kann und Fotoplatten schwärzt. 
Ausgehend von dieser zufälligen Entdeckung Becquerels untersuchten Pierre und Marie Curie alle damals bekannten chemischen Elemente auf diese neue Eigenschaft, die von ihnen als Radioaktivität bezeichnet wurde. Sie fanden die Radioaktivität auch bei Thorium und bei zwei neuen Elementen dem Polonium und dem Radium. 
Alle Untersuchungen zeigten, dass die radioaktive Strahlung eine selbständige Strahlung ist und dass sie weder durch äußeren Druck noch durch Temperaturänderung beeinflusst werden kann. Die Strahlung ist also keine Lumineszenzstrahlung und kann auch nicht von einer chemischen Reaktion herrühren.

 

II.      Eigenschaften der radioaktiven Strahlung 

II.1      Fotographische Wirkung

In Anlehnung an die historische Entdeckung bietet es sich an, zuerst die fotographische Wirkung nachzuweisen. (Dunkelkammer erforderlich!)

Versuch 1:
Ein Stück eines hochempfindlichen Filmes (z.B. 27 DIN) wird lichtdicht in Papier eingewickelt und das Radium-Präparat direkt darüber  gestellt. Nach einer Stunde kann der Film entwickelt werden. Man kann den Versuch auch mit Fotopapier durchführen, dann ist aber eine längere Belichtungszeit notwendig.

Ergebnis:  Radioaktive Strahlung durchdringt Papier und schwärzt fotographischen Film.

 

II.2      Radioaktive Strahlung erzeugt Fluoreszenz

Versuch 2:
Durch eine starke Lupe beobachtet man bei völliger Dunkelheit einen Zinksulfidschirm. 
Beobachtung: Fällt radioaktive Strahlung auf den Schirm, so beobachtet man bei guter Dunkeladaption des Auges zeitlich wie räumlich regellos auftretende Lichtblitze.

Ergebnis: Von einem radioaktiven Präparat werden in unregelmäßiger Folge Teilchen ausgesandt, die Fluoreszenz erzeugen können.

 

II.3      Ionisierende Wirkung

Versuch 3:
Mit einem Hochspannungsnetzgerät bauen wir eine Funkenstrecke auf. Wir stellen die Entfernung der Elektroden so ein, dass gerade noch keine Funkenentladung einsetzt. Dann bringen wir a) eine Kerzenflamme, b) einen radioaktiven Strahler unter die Entladungsstrecke. 

Beobachtung: Es setzt heftige Entladung ein.

 

Erklärung: 
Durch die Kerzenflamme bzw. durch die Strahlung des Präparates werden in der Luft Ionen erzeugt und die Luft wird leitfähig.

Ergebnis: Radioaktive Strahlung wirkt ionisierend.

 

III.     Nachweismethoden für die radioaktive Strahlung  

Die wichtigsten Nachweisgeräte nützen die ionisierende Wirkung der radioaktiven Strahlung aus.

 

III.1     Die Nebelkammer  

Bei Versuch 3 haben wir gesehen, dass die Gase aus einer Flamme Ionen enthalten. Diese Ionen können auch als Kondensationskeime dienen.  

Versuch 4: 
Eine Glasflasche spülen wir mit Wasser aus, verschließen sie mit einem Stopfen und verbinden sie seitlich mit einem Kolbenprober.

 

Beobachtung: 
Beim Zurückziehen des Kolbens beobachten wir  einen feinen Nebel im Gefäß. Die Nebelbildung wird wesentlich stärker, wenn zuvor eine Streichholzflamme einige Sekunden lang in die Öffnung des Glases gehalten wird.  

Erklärung: 
Durch die Expansion sinkt die Temperatur in der Kammer, die Luft ist mit Wasserdampf übersättigt. Der überschüssige Wasserdampf kondensiert schlagartig, wenn Kondensationskeime vorhanden sind. An den Rauchteilchen der Flamme bilden sich winzige Wassertröpfchen als Nebel aus.Auch die Ionen, die von radioaktiver Strahlung erzeugt werden, können als Kondensationskeime dienen. Man nützt dies in der Wilsonschen Nebelkammer aus, um den Weg der radioaktiven Strahlung sichtbar zu machen.

Hinweis: 
Allgemein bekannt ist die Expansionsnebelkammer, die auf obigem Prinzip beruht. Sie hat erhebliche Nachteile: 
a) Man sieht nur für den kurzen Augenblick der Expansion Nebelspuren. 
b) Bei den schwachen Präparaten, die heute nur noch benutzt werden dürfen, ist die Chance, Nebelspuren zu sehen, sehr gering. 
Kontinuierliche Nebelkammern haben diese Nachteile nicht, sind aber recht teuer.

Versuch 5: 
Bei der kontinuierlichen Nebelkammer der Firma  PHYWE wird die Bodenplatte mit Peltierelementen auf zirka -8°C abgekühlt. Unter dem Sichtfenster befinden sich dünne Heizdrähte, um den oberen Teil der Kammer zu heizen und das Propanol-2 zu verdampfen. Durch das Temperaturgefälle zwischen Deckel und Boden entsteht in einer bestimmten Höhe eine Schicht, in der der Flüssigkeitsdampf übersättigt ist.

In dieser Höhe lässt sich seitlich ein radioaktives Präparat in die Kammer einführen, so dass die abgegebene Strahlung in den übersättigten Dampf einfällt. Von der gegenüber liegenden Seite aus wird diese Schicht mit einer starken Lampe streifend beleuchtet. Das an Nebelteilchen gestreute Licht kann von oben beobachtet werden.
Auf den Boden der Kammer ist ein scheibenförmiger Magnet gelegt (Nordpol unten). Zwischen dem Boden und dem Deckel der Kammer liegt eine Hochspannung, um die entstehenden Ionen abzusaugen.

Beobachtung:
1. Es gibt zwei Arten von Nebelspuren, die offensichtlich von dem radioaktiven Präparat hervorgerufen werden: 
a) kurze dicke, gradlinige Nebelspuren, die alle etwa gleich lang sind
b) lange dünne, häufig abgeknickte Nebelspuren, die über dem Magneten gekrümmt verlaufen. Die Krümmung ist unterschiedlich stark, aber fast immer in die gleiche Richtung.
2. Es gibt noch viele andere unregelmäßig auftretende Nebelspuren, die nicht vom Präparat ausgehen.

Deutung:
In der Nebelkammer führen offensichtlich drei Arten von Strahlung zu Nebelspuren:
a) Die Strahlungsart, die vom Präparat ausgeht und die breite gerade Nebelspuren erzeugt, muss stark ionisierend wirken.
Weil die Spuren immer gleich lang sind (etwa 6 cm), muss die Energie der  Strahlung konstant sein.
Bei dieser Strahlungsart handelt es sich um schwere geladene Teilchen, um Heliumkerne. Sie wird als a-Strahlung bezeichnet.
b) Die zweite Strahlungsart muss auch aus Teilchen bestehen, die aber kleiner sind als die a-Teilchen, da sie weniger Ionen erzeugen und viel weiter fliegen. Die Teilchen müssen geladen sein, da sie im Magnetfeld abgelenkt werden. Die Richtung der Ablenkung zeigt, dass es sich um negativ geladene Teilchen handelt. Da die Stärke der Bahnkrümmung unterschiedlich ist, müssen die Teilchen verschiedene Geschwindigkeit haben. Die negativ geladenen Teilchen sind Elektronen. Diese Strahlung wird als ß-Strahlung bezeichnet.
c) Die dritte Strahlungsart, die auch ohne das radioaktive Präparat in der Nebelkammer Spuren erzeugt, ist die sogenannte Höhenstrahlung.

Versuch 6: 
Wir decken das Präparat mit einem Stück Papier ab.

Beobachtung: Die kurzen dicken Spuren treten nicht mehr auf.

Erklärung: Die a-Strahlen werden schon durch Papier zurückgehalten. Die ß-Strahlung dringt durch Papier hindurch.

 

III.2     Der Geigerzähler  

Die schon in Versuch 3 gezeigte Funkenentladung durch radioaktive Strahlung lässt sich zur Strahlungsmessung einsetzen.

Aufbau und Wirkungsweise des Geigerzählers:

 

Das Zählrohr besteht aus einem Metallrohr, das auf der einen Seite mit einer dünnen Glimmerfolie verschlossen ist. Ins Rohrinnere ragt ein Draht, der durch ein Isolierstück von außen eingeführt ist. Das Rohr enthält ein Gasgemisch unter geringem Druck. Zwischen Draht und Rohr wird über einen hochohmigen Widerstand eine Gleichspannung (ca. 500 V) angelegt. Die Höhe dieser Spannung ist so gewählt, dass eine Gasentladung gerade noch nicht stattfinden kann. Sobald aber radioaktive Strahlung durch das Glimmerfenster in das Rohr gelangt, werden einige Gasteilchen ionisiert. Dies löst sofort eine kurzzeitige Gasentladung zwischen Draht und Rohr aus. Dementsprechend kommt es im Stromkreis zu einem Stromstoß. Der Spannungsimpuls, den der Stromstoß am Widerstand erzeugt, wird verstärkt und einem Lautsprecher oder einem Zähler zugeführt. Die Zahl der registrierten Impulse pro Minute wird Impulsrate genannt; sie ist ein Maß für die Stärke der Strahlung, die in das Zählrohr eindringt.

Versuch 7:
Wir bringen ein radioaktives Präparat vor das Zählrohr und zählen mehrmals über 10 s die Impulse. Dann entfernen wir das Präparat und zählen wieder die Impulse.

 

Beobachtung:
a) Die gemessenen Impulsraten sind bei den verschiedenen Messungen nie gleich. 
b) Ohne radioaktiven Strahler geht die Impulsrate sehr stark zurück, wird aber nie Null.

Erklärung:  
Bei der radioaktiven Strahlung erfolgen die einzelnen Impulse zeitlich völlig regellos. Deshalb sind die gemessenen Impulsraten meistens verschieden. Man muss mehrfach messen und den Mittelwert bilden. Die ohne Präparat gemessene radioaktive Strahlung stammt zum Teil aus der Umgebung (Boden, Wasser, Luft, Mauerwerk), wo ständig radioaktive Stoffe vorhanden sind. Zu dieser terrestrischen Strahlung tritt die kosmische Strahlung hinzu, die ständig aus dem Weltraum in die Erdatmosphäre eindringt 
(Summe der beiden = Nullrate)  

 

IV.    Untersuchung der verschiedenen radioaktiven Strahlungsarten mit dem Geigerzähler  

In der Nebelkammer haben wir beobachtet, dass unser Radium-Präparat mindestens zwei Strahlungsarten aussendet: 
a-Strahlung: gleiche Reichweite, wird von Papier abgeschirmt,
b-Strahlung: geht durch Papier hindurch, wird im Magnetfeld abgelenkt. 

Versuch 8:

Versuch 8.1: 
Wir stellen den Zähler im Abstand von 2 cm vor dem Strahler auf. Eine Bleiblende mit  3,5 mm Durchmesser begrenzt die Impulsrate. a)  Wir zählen die Impulse in 10 s ohne Papier im Strahlengang. b)  Wir bringen ein Blatt Papier unmittelbar vor den Zähler und zählen wieder.
Ergebnis:  a) 1241 Imp/10s              b)  890 Imp/10s

Versuch 8.2: 
Wir vergrößern den Abstand Strahler – Zähler auf 5 cm und wiederholen die Messung mit und ohne Papier im Strahlengang.
Ergebnis: a) 201 Imp/10s                b)  197 Imp/10s

Folgerung:  a-Strahlen werden durch Papier abgeschirmt. Ihr Anteil an der Gesamtstrahlung beträgt ca. 28%.
Die Reichweite der a-Teilchen ist kleiner als 5 cm, da Papier bei Versuch 8.2b kaum die Impulsrate reduziert.

 

Versuch 9:
Wir wissen, dass b-Strahlung Papier durchdringt. Wie ist die Durchdringungsfähigkeit für andere Stoffe?
Wir verwenden den Aufbau wie bei Versuch 8.1a und stellen eine wachsende Zahl von Al-Blechen (0,5 mm dick) in den Strahlengang.

 

Ergebnis:

Dicke Al-Platte in mm

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Impulse in 10 s

654

90

51

30

22

21

20

Die Impulsrate nimmt mit wachsender Blechdicke ab, bis sie ab 2 mm Dicke kaum noch kleiner wird. 
(Nullrate: 4 Imp/10s)

Folgerung:
Von dem radioaktiven Präparat muss noch eine dritte Strahlungsart ausgehen, die selbst durch ein 3 mm dickes Al-Blech kaum behindert wird. 

Versuch 10:
Wir wissen, dass die b-Strahlung durch ein Magnetfeld abgelenkt wird. Können wir so die dritte Strahlungsart von der b-Strahlung trennen?

Aufbau gemäß Skizze: Abstand Strahler- Zählrohr 5 cm (außerhalb der Reichweite der a-Strahlen) 

Abb.1:  Ansicht

Abb.2:  Draufsicht

Wir messen die Impulsrate in folgenden Fällen:
a)  Strahler – Blende – Zählrohr auf einer Geraden,  ohne Magnet
b)  Zählrohrstellung unverändert, Magnet hinter der Blende, Nordpol oben

Ergebnis:

Hinweis:
Schwächt man die abgelenkte b-Strahlung durch 3 cm Aluminium ab, so sieht man, dass noch eine Impulsrate größer als die Nullrate übrig bleibt. Dies kommt von der g-Strahlung in diesem Raumwinkel. 

Folgerungen:  
Durch das Magnetfeld lässt sich die b-Strahlung von der dritten Strahlungsart abtrennen, die im Magnetfeld nicht abgelenkt wird. Diese Strahlung durchdringt Papier und Al-Platten. Sie erzeugt in der Nebelkammer keine Nebelspuren. 

Mitteilung: Es handelt sich um eine Strahlung, die der Röntgenstrahlung ähnlich ist. Sie wird als g-Strahlung bezeichnet.

 

Versuch 11:
Aufbau wie Versuch 10b. In die unabgelenkte Strahlung stellen wir 2 mm dicke Bleiplatten und messen die durchgelassene Strahlung.

Ergebnis: 
Mit wachsender Plattenzahl nimmt die Impulsrate nur langsam ab. Die g-Strahlung lässt sich nur durch dicke Bleiplatten abschirmen.

  

V.      Zerfallsgesetz / Halbwertszeit 

Der a- und b-Zerfall gehen jeweils mit einer Elementumwandlung einher. Die Zahl der noch nicht zerfallenen Ausgangskerne muss dabei ständig abnehmen. In gleichem Maße nimmt aber auch die Häufigkeit der Zerfallsprozesse ab. Die Zahl der Kerne, die pro Sekunde zerfallen und damit Strahlung aussenden können, wird ständig kleiner. 

Versuch 12:
Mit einem Isotopengenerator wird metastabiles Ba-137 hergestellt, das unter Aussendung von g-Strahlung in den stabilen Grundzustand Ba-137 übergeht.

 

Die Zerfallskurve dieser Substanz wird mit dem Geigerzähler aufgenommen. Hierzu wird in Zeitabständen von jeweils 10 s die Zahl der Impulse in 10 s gemessen.

Ergebnis:
Trägt man die Impulsrate gegen die Zeit auf, so erkennt man das exponentielle Abklingen der Zerfallsrate. Die Halbwertszeit des Zerfalls von Ba-137m beträgt ca. 2,6 min.

 

Beziehung zwischen Halbwertszeit T und Zerfallskonstante l: