Radioaktivität zum Anfassen - Das Philion-Experimentier-set

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1 100. MNU Kongess Regensbug 2009 Radioaktivität zum Anfassen - Das Philion-Expeimentie-set Rudolf GeiPel' Ilenning von PhiliPsbon" I Pivate Realschule Pindl Albecht-Düe-St. I l, 93 I 28 Regenstauf geipel@t-online.de 2 Fachbeeich Physik, Univesität Regensbug Regensbug henning.philipsbom@physik.uni-egensbug'de Kuzfassung Das philion-expeimentie-set ist eine Zusammenstellung von Geätschaften, Quellen und Päpaaten zu Duchfühung gundlegende vesuche de Kenphysik und di Radioaktivität. Die adioaktiven Quellen im Philion- Expeimentie-Set liegen weit unte de Feigenze de Stahlenschutzveodnung, sie sind anzeige- und genehmigungsfei und können auch von Schüleinnen ud S.hüI".n ohne Gefah in vesuchen benutzt weden' FüL das Philion- Expeimentie-Set ist kein Stahlenschutz-Fachkunde-Nachweis efodelich. Mit ihm ist es nicht nu möglich, die bishe an vielen Schulen aufgund de Abneigung gegen Stahlestifte fehlenden, didaktisch wichtigen Expeimente zu Kenphysik duchzufüten] es vemittelt u*tt älä iunst und das veständnis fü das Expeimentieen mit einfachsten Mitteln. Das Philion-Expeimentie-set ist bei den Autoen ehältlich, Peise auf Anfage' l. Das Messinstument - ein Endfenste-Zihloh Das Messinstument ist nicht im Set enthalten' Es wid ein Geige-Mülle-Endfenste-Zähloh mit einem goßen Duchmesse empfohlen, das fü Alpha-, Beta- und Gammastahlung emphndlich ist. Die Autoen vewenden das Geät,,Inspecto" mit einem Endfenstezähloh mit einem Duchmesse von 45 mm und eine Einstellung fü die Zählate po Minute in Schitten von I min onj to min. Einstellungen fü die Dosisleistung sind vohanden, fü die schulischen Expeimente abe nicht von Bedeutung, denn sie müssen genau beuteilt weden. Die Göße [psv'h t1 ist eine Rechen- und keine Messgöße, die unte Andeem von de Gasfüllung des Zählohs, vom gemessenen Nuklid, de Enegie de gemessenen Stahlung und von andeen Paameten abhängt, insgesamt also von einem Kalibiefakto' In den Expeimenten wid jeweils die Zähltate fü veschiedene Messzeiten efasst. Die Zählate gibt die Zahl von Eeignissen an, die im Zähloh stattfinden' Sie ist steng zu untescheiden von de Zefallsate. (Aktivität)' geidjhaben wohl die gleiche Einheit I min-1 bzw' I s, abe Zählate und Zefallsate düfen nicht gleichgesetzt weden, was leide aus Unwissenheit oft geschieht' Messgeäte mit Angabe de Einheit Becqueel sind somii schlicht falsch und ungeeignet. Fü die Expeimente im Philion-Expeimentie-Set weden deshalb Anleitungen gegeben, wie die Messungen von Radon und seinen Folgepodukten zu beuteilen sind' Gundlegende Vesuche zu Kenntnis des Messgeäts sind zunächst Messungen des Nulleffekts an veschiedenen Oten und zu deen statistische Veteilung' Ube die Standadmessunsicheheit und die daaus esultieende Beuteilung de Signifikanz von Messungen etält man auch aussagekäftige expeimentelle Bestätigungen fü Gundkenntnisse aus de Stochastik des Mathematik-Unteichts. Abb. I i : Das Getge-Mulle-bnoenste-zanol Geige-Mülle-Endfenste-Zähloh lnspecto Hilfeich ist ein Anschluss des Inspectos an einen Compute ode ein Messinteface, um fei wählbae To- und Messzeiten zu emöglichen und die Messegebnisse auf einen Datentäge fü eine Auswetung, i.s. in einem Tabellenkalkulationspogamm' abzuspeichem. Damit sind auch Messungen übe mehee Tage möglich. Ein deatiges lntefacekabel existiete auf de Basis von MS-DOS, ist abe übe Pentium-Compute, XP ode Vista nicht meh nutzba. Ein entspechendes

2 2 univeselles Inteface fü neue Compute ist in de Entwicklung. metischen Aktivitäts-Zetifikat vesehen und besitzt etwa 200 Bq U-238. E liegt damit deutlich unte de Feigenze von l0 000 Bq fü U-238+, elaubt abe dennoch Messungen höhee Zählaten und ihe statistischen Steuung. Übe ein laminietes Millimetepapie können bestimmte Abstände von Knopf und Messgedt eingestellt weden. Damit kann die Zählate in Abhängigkeit vom Abstand gemessen weden. Veschiedene Absobeplatten emöglichen nicht nu Abschimvesuche, sonden auch Diffeenzmessungen zu Emittlung de Stahlunesaten. Abb. 2: Die..blaue Schift",ßadioaktivität und Stahlungsmessung" Zu Vetiefung de Kenntnisse und fü weitegehendes Hintegundwissen gibt es die Schift,,Radioaktivifät und Stahlungsmessung" de beiden Autoen Henning von Philipsbon und RudolfGeipel, heausgegeben vom Bayeischen Staatsministeium fü Umwelt und Gesundheit und dot kostenlos ehältlich. ln den Anleitungen zum Philion-Expeimentie-Set fnden sich Queveweise zu diese Schift. Messinstumente sind in Zeiten eine fotscheitenden Digitalisieung mit hohen Poduktionsaten leicht vefügba und meist kostengünstig. So wie die Messung mit einem Fiebethemomete abe noch nicht die Qualifikation fü einen Azt ausmacht, bedeutet eine Messung mit einem Geige-Mülle-Zähloh noch nicht gesichete Kenntnisse übe Radioaktivität und ihe Eigenschaften' Geade hie wid deutlich, dass zu einem Expeiment dei Schitte gehöen: l. Auswahl. Sammeln und Aufbeeiten de Poben, 2. Messung de Poben mit einem geeigneten Instument unte Beücksichtigung de Geometie von Pobe und Instument sowie von weiteen Faktoen und 3. Beuteilung demessegebnisse. Das nach didaktischen Gesichtspunkten aufgebaute Philion-Expeimentie-Set beücksichtigt diese,,tinität". Knopfstahle Uanglas Abb. 3: Knopfstahle 3. Die Hitfsinstumente Pobenplatten mit Klebfolie - Estellen eigene adioaktive Quellen Eine de vielfältigen Möglichkeiten des Philion- Expeimentie-Sets iesteht &in, aus de natülichen Umweltadioaktivit?it ungefähliche Quellen selbst hezustellen und diese dann zu untesuchen. Dazu sind Pobenplatten aus Polystyol enthalten, die die Göße des Inspectos mit eine Öffung passend zum Endfenste aufieisen. Die Platten sind 2 ode 4 mm dick. Von beiden Seiten kann man adongasdichte, duchsichtige Folie gegen die keisunde Öffnung kleben und zwischen die Folien bestimmte Mengen Kaliumchloid zu Kalibieung ode könige Aktivkohle, die mit Rn-222 beladen wude, einbetten. Geometie des Endfenstes und de Pobe sind aufeinande abgestimmt. w. 2. Die Stahlenquelle Uanglasknopf - höhee Zählaten, Abstand und Abschimung Im Set ist ein Uanglasknopf mit de zugehöigen Halteung enthalten, dazu passend die entspechende Halteung fü das Messgeät, so dass de Knopf in de Höhe diekt vo dem Endfenste liegt. De Knopf aus chysopasgünem Uanglas ist mit einem gammaspekto- Absland3ft6xen Pobanhaketun96 Abb. 4: Pobenhalteung mit beladene könige Aktivkohle eingebettet in adongasdichte Folien

3 4. Die Hilfsinstumente Philion-Platten mit Reib holz - Sammeln mithilfe von Reibungselektizität Eine Philion-Platte mit 7 cm x 13 cm x I mm (10 Stück enthalten) wid nach Messung de Nullate duch Reibung mit einem Buchenholz auf V (ungefählich) aufgeladen und zu Exposition auf 4 Kunststoffstäbe, die in eine Bodenplatte gesteckt sind, gelegt. Die Platte sammelt aus de Umgebungsluft (Raumluft ode Außenfuft) die Radonzefallspodukte. Die Zähkate kann in Abhängigkeit von de Expositionszeit bestimmt weden. Mithilfe de Abschimung duch Papie lassen sich Alpha- und Betastahle untescheiden. Damit ist ein einfache Nachweis de Elementumwandlung möglich. Die Messung des zeitlichen Velaufs de Zählate füht zu Aussagen übe die Halbwetszeit. Abb.6: HB-Ede in PET-Pefom Eine beladene Kohlekompette zefllt nicht in Alkohol (wohl abe in Wasse). Das Radon desobiet; es entsteht adonhaltige Alkohol, von den Autoen als Radonol bezeichnet. Radonol kann nach Bildung de Folgepodukte zu Wischtest auf veschiedenen Untelagen benutzt weden. Es sind Diffeenzmessungen Untegund - Wischtest-Läppchen möglich. Abb. 5: Philion-Platte auf Stände mit Reibebett 5. Die Radonquelle HB-Ede - Adsoption von Radon an Aktivkohle und Desoption in Alkohol 20 g HB-Ede aus de Obepfalz befinden sich in eine buchsicheen PET-Pefom. Die Ede ist mit eine Polyethylensiebkappe, die zu Auftahme von kömige Aktivkohle ode von Kohlekompetten dient, staubsiche veschlossen. Die Quelle ist mit einem gammaspektometischen Aktivitäts-Zetifikat vesehen und weist etwa 500 Bq Uan-238-sec im adioaktiven Gleichgewicht auf. Sie liegt damit ebenfalls deutlich unte de Feigenze von I ü)0 Bq fü U-238-sec. Entnimmt man de Pefom könige Aktivkohle nach I Stunde, kann man den Aufbau de Radonzefallspodukte zeitabhängig in eine Aufbaukuve messen. Könige Aktivkohle zwischen zwei adongasdichten Folien eingeschlossen dient zu zeitabhängigen Messung des Radonzefalls und zu Bestimmung de Halbwetszeit von Radon. Gemessen wid dabei nicht die Alphastahlung von Radon, die die Folie nicht duchdingen kann, sondem die Beta- und Gammastahlung de Folgepodukte. Die abklingende Aktivität diese Stahle wid duch den Zeta].J' von Rn-222 veusacht. Da kein Radon meh nachgeliefet wid, ist die abklingende Aktivität diese Stahle ein Maß fü den Zefall von Radon. Abb. 7: Siebeinsatz mit könige Aktivkohle in PET- Pefom 6. Die Hilfsinstumente Glasfasefilte. Wasse und Radonol - Untesuchung von Radonfolgepodukten Leitungswasse aus unteschiedlichen geologischen Untegünden, z.b. Juakalk, Gneis ode Ganit, Bunnenwasse, geschmolzene Schnee, Regenwasse nach eine längeen Tockenzeit ode das mithilfe de HB- Ede hegestellte Radonol weden in einem Büchne- Tichte aus Pozellan duch ein Glasfasefilte filtiet. Das Filte hat in etwa die Göße des Geige-Mülle- Endfenstes. Das nasse Filte wid auf eine Heizplatte vollständig getocknet, da sonst die Selbstabsoption des nassen Filtes die Zähhate stak mindet. lm Filte weden Radonfolgepodukte zu meh als 95o/o adsobiet. Die veschiedenen Zählaten weden zeitabhängig gemessen; es egeben sich Zefallskuven. Fü stäke stahlende Filte wid die Zähkate gemessen, anschließend wid das Filte auf das im Set enthaltene Wolfam-Blech gelegt und die Zählate eneut gemes-

4 4 sen. Die Ausbeute steigt duch Rücksteuung de Elektonen um efxa20o/o. Daübe hinaus finden sich auf de Daten-CD auch Bezugsnachweise fü die weitegehenden Vesuche und das Vebauchsmateial, viele Bilde im JPG-Fomat, z.b. zu Uanglas, Uanglasuen, Pechblende- Schwazmducken, adioaktiven Minealien und Quellen, zu Geschichte de Radioaktivität und zu Fundstellen. Folien im Wod-Fomat zu wichtigen Themen können diekt im Unteicht eingesetzt weden. Didaktische Hinweise, z.b. zum Stationenlemen, Datenblätte, Powe-Point-Votäge, Exkusionsbeichte und Veöffentlichungen de Autoen liefen Hintegundwissen und Anegungen fü den Unteicht. I i f l t l! f 9. De Inhalt des Philion-Expeimentie-Sets Sbdholle. fij, Xono-ComD M hop* Philff,Plenen mil Sbnclet Abb. 8: Büchne-Tichte mit Glasfasefilte 8. Hilfen und Anegungen - das Expeimentie- Handbuch und die Daten-CD In einem Expeimentie-Handbuch finden sich Bescheibungen alle wichtigen Vesuche nebst den zugehöigen Tabellenvoducken zum Messen sowie Veweisen auf die Schift,,Radioaktivität und Stahlungsmessung". Diese Dateien liegen auf eine Daten-CD auch als Wod-File vo und können somit individuellen Gegebenheiten angepasst weden. Zu den beschiebenen Vesuchen finden sich noch viele Anegungen zu weitegehenden Expeimenten, z.b. das Sammeln von Radonfolgepodukten aus de Luft mithilfe eines Autostaubsauges und eines Glasfasefiltes. Radioaldvität..,- f tüb.fa.fcnt tü.ft-üa:l I*i Eü,e!f.,_.,_*---\_._ vo{l GGF.I Vtült*ntG., 052(m \ - / Abb. 9: Daten-CD Anfa$en tö t qül Abb. I 0: Philion-Expeimentie-Set 10 Philion-Platten 13 cm x 7 cm x I mm zum Sammeln von Radon-Folgepodukten aus de Luft, Gundplatte und 4 Standstäbe, Reibebettchen Büchne-Tichte Pozellan 55 mm 25 Glasfasefilte MN85/90 zum Sammeln von Radonfolgepodukten aus Wasse und Ethanol, leee Flasche fü Radonol l0 Wischtest-Läppchen 20 g HB-Ede zetifziet etwa 500 Bq U-238sec, fest umschlossene Rn-222-Quelle etwa 200 Bq Uanglasknopf zetifziet etwa 200 Bq U-238, fest umschlossen in Halteung 25 g Kaliumchloid (etwa 400 Bq K-40) Standhalte fü Messgeät Inspecto 25 g Aktivkohle könig (Rn-222-Speiche) 10 Kohlekompetten fü Radonol 25 Stück gasdichte Klebfolie 8 cm x 8 cm Nagel zum Abheben de Folienückseite 2 Poben-/Abstandsmasken 2 mm Mffi

5 5 o 2Poben-/Abstandsmasken4mm Wolfamblech 0,1 mm zu Rücksteuung von Betastahlung Aluminium-Absobe I mm Bleigummi Gleichwet I mm Vebauchsmateial kann aus den üblichen Quellen nachbestellt weden, Hinweise liegen bei. Weitee Philion-Platten zu Abeit in Guppen können leicht selbst hegestellt weden. 10. Zusammenfassung Das Philion-Expeimentie-Set bietet ungefähliche Quellen weit unte de Feigenze und leicht einsetzbae Hilfsinstumente zu Duchfühung de wichtigsten gundlegenden Expeimente in de KemphysiVRadioaktivität. Es ist in de Paxis epobt und auf einen effizienten Unteicht sowohl zu Demonstation als auch zu Abeit in Schüleguppen abgestimmt. Viele Anegungen zu weitegehenden Vesuchen lassen vielfültige Einsatzmöglichkeiten mit weiteen Expeimenten offen. Die Hestellung von und die Beschäftigung mit Quellen aus de natülichen Umweltadioaktivifät vemitteln Gundwissen übe die Radioaktivität und ihe Eigenschaften und sind Voaussetzung fü den sachlichen Umgang mit einem sensiblen Themenbeeich. Das Philion-Expeimentie-Set ist sowohl im Unteicht weitefühende und beufliche Schulen bis hin zu Leistungskusen, in den Paktika und Volesungen an den Hochschulen als auch in de Stahlenschutzausbildung effizient einsetzba. Radon als seltenstes Element ist dennoch übeall vohanden und liefet anzeige- und genehmigungsfeie Quellen, die keines Stahlenschutz-Fachkunde-Nachweises bedilfen und damit Stahlenschutzbeauffagte an den Schulen übeflüssig machen. Das Philion-Expeimentie-Set stellt als angenehmen Nebeneffekt somit auch eine nicht unehebliche Einspamöglichkeit da. Liteatu [] Philipsbon, Henning von/geipel, Rudolf: Radioaktivität und Stahlungsmessung. Bayeisches Staatsministeium fü Umwelt, Gesundheit und Vebaucheschltz,244 S., 8. Auflage 2006, kostenlos zu beziehen übe [2] Philipsbom, Henning von/geipel, Rudolfi Uanfaben, Uangläse, Uanglasuen - adiometisch, technisch, histoisch. Band 46 de Schifteneihe des Begbau- und Industiemuseums Ostbayen, [3] Philipsbon, Henning von/geipel, Rudolf: Teaching Radon in the Living Envionment - School Expeiments with Ai, Liquids, and Solids, Postepdsentation, Wokshop Radon in the Living Envionment oganized by the Euopean Commission, Athen 1999 [4] Philipsbom, Henning von/geipel, Rudolf: School Expeiments with Radon and Radon Decay Poducts in Ai, Liquids, and Solids, Postepäsentation, Intemational Confeence Radiation Potection: What ae the Futue Taining Needs, Saclay 1999 [5] Philipsbom, Henning von/ Geipel, Rudolf: Neuatige Schul- und Demonstationsexpeimente zu Radioaktivität. Physikalische Blätte 55 (1999) [6] Geipel, Rudolf/Philipsbon, Henning von: Natüliche Radionuklide in Gebauchsgegenständen am Beispiel Uangläse und Uanglasuen, Stahlenschutzpaxis, 7. Jahgang 2001, Heft 1i2001 [7] Philipsbon, Henning von/ Geipel, Rudolf: Radioaktive Gebauchsgegenstände im Unteicht, Stahlenschutzaspekte bei natüliche Radioaktivit?it, 38. Jahestagung des Fachvebandes Iü Stahlenschutz e.v., Desden 2006, Tagungsband S [8] Geipel, Rudolf: Schul- und Paktikumsvesuche mit natüliche Radioaktivität, Stahlenschutzpaxis, 13. Jahgang 2007, Teil l, Heft l/2007, Teil 2, Stahlenschutzpaxis2l200'l. Die gesamten Möglichkeiten des EinsaEes von Radon im Unteicht zeigt die Synopse des Radonkeislaufs. De Kcislauf von 1o Sq (lo ". lo''' gl Rn-222, Po-21S, Pb-2fa, Bi-21a I Außenlutt Fcim, in dca wohnun9, id Xelle Flb".f.l-l t.*-;;;l l ge!g.j i A 8. I I dyngmisch 'l'. i FGstköDe als I Oüellcn uill.16. Samlet