Fortgeschrittenen - Praktikum. Gamma Spektroskopie

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1 Fortgeschrittenen - Praktikum Gamma Spektroskopie Versuchsleiter: Bernd Zimmermann Autor: Daniel Bruns Gruppe: 10, Donnerstag Daniel Bruns, Simon Berning Versuchsdatum:

2 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 1 Inhaltsverzeichnis 1 Theorie Die natürlichen Strahlungsarten α - Strahlung β - Strahlung γ-strahlung Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie Generelles Die drei elementaren Wechselwirkungen Versuchsaufbau 4 3 Strahlebelastung am Arbeitsplatz 5 4 Compton-Effekt 6

3 Gamma Spektroskopie; Gruppe Theorie 1.1 Die natürlichen Strahlungsarten α - Strahlung Als α-strahlung wird ein Strom aus Heliumkernen bezeichnet. Diese bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Sie tritt vorwiegend dann auf, wenn Atome sehr schwer sind, oder sie viele Protonen und wenige Neutronen besitzen. Dann überwiegen die abstoßenden elektrischen Kräfte den bindenden Coulomb- Kräften. α-teilchen bilden eine fester verbundene Einheit als ein Proton alleine. Daher trennt sich vornehmlich ein Heliumkern vom Atomkern, anstatt eines Protons. Dieser Zerfall wird als α-zerfall bezeichnet. Da sich die Teilchen mit etwa km s vom Kern trennen und eine verhältnismäßig hohe Masse haben, haben sie eine sehr hohe Kinetische Energie zwischen 2 und 5 MeV. Dennoch ist α-strahlung nur auf kurze Distanz gefährlich, denn die Helium-Kerne verlieren druch Stöße mit Atomen in der Luft schnell an Energie und reagieren mit zwei Elektronen zu Heliumatomen. Ein einfaches Blatt Papier reicht völlig aus um α-strahlung zu absorbieren β - Strahlung Bei der β-strahlung muss man zwischen zwei Arten unterschieden: β + - und β - Strahlung β -Strahlung: Diese Strahlung entsteht, wenn ein Atomkern viele Neutronen und wenig Protonen besitzt. Dann verwandelt sich ein Neutron in ein Proton und ein Elektron. Das Proton verbleibt im Kern aber das Elektron verlässt ihn. Ein Strom Dieser Elektronen wird als β -Strahlung bezeichnet. Dabei varrieren die Austrittsgeschwindigkeiten von Null bis zur Lichtgeschwindigkeit. Daher kann die kinetische Energie der Strahlung bis zu 4 MeV betragen. Die Reichweite von β -Strahlung in Luft beträgt etwa 4m. Um diese Strahlung im Labor abzuschirmen reicht ein einige Millimeter dickes Alumiumblech. β + -Strahlung: Diese Strahlung entsteht, wenn ein Atomkern viele Protonen und wenig Neutronen besitzt. Dann verwandelt sich ein Proton in ein Neutron und ein Positron. Den Strom aus frei werdenden Positronen bezeichnet man als β + -Strahlung. Sie hat eine ähnliche Energie wie die β -Strahlung und kann mit gleichen Mitteln abgeschirmt werden γ-strahlung γ-strahlung ist, im Gegensatz zur α- und β-strahlung, keine Teilchen-Strahlung sondern besteht aus sehr energiereichen Photonen. Da diese elektrisch neutral sind können sie nicht von elektrischen oder magnetischen Feldern beeinflusst

4 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 3 werden. Sie entsteht, wenn angeregte Atomkerne in ihren Grundzustand zurückfallen und dabei Energie in Form von Licht sher hoher Energie abgeben. Diese liegt zwischen 0.1 und 20 MeV. Diese Strahlung kann aber auch entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen wie Elektronen stark abgebremst werden. Die dabei entstehende γ-strahlung hat eine geringere Energie von 0.1 bis 0.25 MeV und wird als Röntgenstrahlung bezeichnet. Da γ-strahlung Materiedurchdringend ist, ist es schwierig sie richtig abzuschirmen. Meist geschieht dies durch dicke Bleiplatten, die die Strahlung absorbieren und als Wärme abführen. 1.2 Wechselwirkung von γ-strahlung mit Materie Generelles Da wir in unserem Versuch mit γ-strahlung arbeiten und diese Spektroskopisch analysieren wollen, ist es sinnvoll sich zuvor zu überlegen was für Wechselwirkungen die γ-strahlung mit Materie hat. Da γ-quanten keine Ladung haben sind sie mit einem normalen Detektor nicht zu messen, da diese meist einen Strom messen, der durch das Auftreffen der Ladungsträger erzeugt wird. γ-quanten lösen aber auf verschiedene Arten Elektronen aus Materie, wenn sie auf diese Treffen. Die Anzahl der ausgelösten Elektronen ist aber zu gering um sie zu messen und aus der Messung Aussagen über die Art der Strahlung zu machen. Darum werden die bei der Wechselwirkung auch entstehenden, schwachen Lichtblitze dazu genutzt um aus einer Photokathode Elektronen auszulösen. Diese Elektronen werden dann in eimem Elektronenvervielfacher vervielfacht. Dabei werden sie durch eine Spannung beschleunigt, bis sie auf eine Dynode treffen, aus der sie durch Abgabe ihrer Energie mehrere neue Elektronen auslösen. Diese werden zur nächsten Dynode beschleunigt usw. Man kann dadurch die Anzahl der Anfänglich vorhandenen Elektronen auf das Milliardenfache vergrößern. In einem Analysator kann dann die Anzahl der mit einer bestimmten Energie eintreffenden Elektronen bestimmt werden. Dadurch kann ein Diagramm erstellt werden, in dem man die Energieverteilung der Elektronen sehen kann. Der Aufbau eines solchen Elektronenvervielfachers sowie das entstehende Diagramm ist in Abbildung 1 zu sehen. (Quelle: Wikipedia) Abbildung 1: Aufabu des Elektronenvervielfachers

5 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 4 Abbildung 2: Paarbildung Die drei elementaren Wechselwirkungen Photoeffekt: Wenn die γ-quanten nur eine geringe Energie haben, welche unterhalb der Bindungsenergie der Elektronen liegt, so werden die Atome mit denen die Strahlung wechselwirkt angeregt und geben ihren Anregungsenergie wieder als Lichtquanten ab. Diesen Effekt nennt man Photoeffekt. Paarbildung: Haben die γ-quanten eine sehr hohe Energie, so kann es zu Wechselwirkungen mit dem E-Feld des Atomkerns kommen. Dabei wird das γ-quant in ein Elektron und ein Positron ungewandelt. Das Postron wird sofort von einem weiteren Atom anhiliert und dabei werden zwei antiparallele γ-quanten etwa halber Energie ausgesandt. Diese können dann wieder Photo- und Compton- Effekte auslösen. Compton-Effekt: γ-quanten mittlerer Energie werden an den Atomen gestreut und ändern dabei ihren Impuls. Diese Impulsänderung bewirkt eine Änderung der Energie und somit der Wellenlänge der Quanten. Durch die Streuung geben die γ-quanten einen Teil ihrer Energie an die Atome ab. Dieser Energieübertrag wird dann maximal, wenn das Quant genau frontal, also mit 180 auf das Atom trifft. Es muss also eine schrfe Kante für die minimale Energie des gestreuten Quants geben, die Compton-Kante. Wir werden auf dem Compton-Effekt im zugehörigen Versuchsteil noch näher eingehen. 2 Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4 dargestellt. Im Versuch wurden die γ-spektren von Cs 137 mit 100µCi, Cs 137 mit 10µCi,Co 60 und Na 22 untersucht. Diese befinden sich an der Stelle Q im Aufbau. Die Strahlung trifft dann entweder direkt oder, wie im letzten Teilversuch gestreut, auf

6 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 5 Abbildung 3: Photoeffekt und Compton-Streuung Abbildung 4: Versuchsaufbau einen Eleketronenvervielfacher, der in der Grafik als Verstärker zu finden ist. Auf den Verstärker sind wir bereits zuvor eingegangen. Dieser ist mit weiteren Geräten verbunden, die dann die Daten an einen PC weiterleiten. An diesem können dann die Daten mit einer Software ausgewertet werden. Die Software trägt in einem Säulendigramm die Anzahl der eintreffenden Elektronen über ihrer Energie auf. Diese Diagramme können bedauerlicherweise nicht direkt als Image gespeichert werden, sondern können nur als Wertetabellen in Form von einer.txt Datei exportiert werden. Darum werden wir in diesem Protokoll keine Säulendiagramme zeigen, sondern Graphen, die aus den Wertetabellen resultieren. 3 Strahlebelastung am Arbeitsplatz Bevor wir mit den Messungen beginnen, sollten wir die Strahlenbelastung abschätzen, die während des Versuches für uns entsteht. Dazu haben wir mit dem Geiger-Zähler die Strahlungsdosis am Sitzplatz vor dem PC und in der nähe der Probe gemessen. Als Probe haben wir Cs 137 mit 100µCi gewählt, weil diese am stärksten strahlt. Der Abstand zwischen der Probe auf dem Experimentiertisch und dem Sitzplatz beträgt etwa 70 cm. Für eine gewisse Zeit muss man aber auch näher an die Probe heran (Abstand etwa 20 cm), um sie zum Beispiel auszutauschen oder die Versuchsanordnung für die Comptonstreuung zu

7 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 6 verändern. Die Zeit, die wir im Raum waren betrung an beiden Tagen zusammen etwa 7 Stunden. In unmittelbarer Näche der Proben waren wir dabei für insgesammt etwa 1 Stunde. Die Strahlenbelastung am PC ist etwa 0.3 mr h und in der Nähe der Proben 1.5 mr h. In der Literatur wirden Strahlungsdosen meist in Sv = mr angegeben. Daraus ergen sich die Werte in Tabelle 5: PC Probennähe Gesamtdosis Durchschnittliche Tagesdosis Kritische Tagesdosis Gesamt-Strahlenbelastung [Sv] Abbildung 5: Durchschnittliche, kritische und tatsächliche Strahlendosen Da die durchschnittliche Tagesdosis zwar um den Faktor 3 überschritten wurde, die kritische Tagesdosis (Quelle: Wikipedia) aber noch nicht erreicht wurde, droht bei Einhaltung der Sicherheitsvorschriften keine Gefahr in diesem Versuch. Zum Vergleich: Die Belastung für einen Astronauten in einem Space Shuttle liegt bei etwa Sv am Tag, angenommen das Shuttle sei nicht abgeschirmt. Auch sagte uns unser Betreuer Herr Zimmermann zu Beginn: Ein Campingurlaub in der Ukraine ist vermutlich gefährlicher. Wir haben recherchiert: In der Ukraine liegt die Belastung nach dem Unfall bei Chernobyl immernoch bei Sv am Tag. Der Versuch ist also tatsächlich unbedenklicher als etwa ein Wochenendtrip in die Ukraine. 4 Compton-Effekt Herleitung mit Impuls und Energiesatz: Elektron Photon Energie vor der Streuung: E 0e = m 0e c 2 E ph = hν Energie nach der Streuung: E e = m e c 2 Energie- / Impulssatz: E 0e + E ph = E e + E ph E ph = hν p ph = p ph + p e Durch Einsetzen der Energien in den Energiesatz erhält man: hν hν + m 0e c 2 = E 2 e

8 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 7 Die Energie-Impuls-Beziehung lautet: E0e 2 = Ee 2 (p e c) 2 m 2 0ec 4 = Ee 2 (p e c) 2 Zusammen mit dem Cosinussatz (p 2 e = p 2 ph + 2 p ph 2p ph p ph cos(ϕ)) und dem Energiesatz eigesetzt in die Energie-Impuls-Beziehung ergibt sich folgendes: Bei einem Streuwinkel von 90 ergibt sich: λ = h m 0e c = 2.43pm = λ c Diese wird auch Compton-Wellenlänge genannt. Für einen Winkel von 180 grad wird das Photon zurückgestreut. Man sricht dabei von der Compton Kante. Wegen cos(180 ) = 1 folgt: λ = 2λ c Bei dieser Streuung ändert sich die energie des Streuelektrons mit der Wellenlängenänderung des Photons. Die energie des gestreuten Photons ist:

9 Gamma Spektroskopie; Gruppe 10 8 Daraus resultiert dann die auf das Elektron übertragene Energie: