Theoretische Grundlagen Physikalisches Praktikum. Versuch 8: Radioaktivität

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1 Theoretische Grundlagen Physikalisches Praktikum Versuch 8: Radioaktivität Radioaktivität spontane Umwandlung instabiler tomkerne natürliche Radioaktivität: langlebige Urnuklide und deren Zerfallsprodukte sowie Nuklide, die in der Natur fortlaufend gebildet werden künstliche Radioaktivität: diese Nuklide kommen nicht in der Natur vor; sie werden durch spezielle Kernreaktionen erzeugt Wichtige Zerfallsarten instabiler Kerne α-zerfall: Heliumkernes (α-teilchen) der entstehende Tochterkern hat eine um zwei Einheiten kleinere Ordnungszahl und eine um vier Einheiten kleinere Massenzahl es resultiert α-strahlung Beispiele Z- 86 Ra Rn + α α X, - Mutterkern, Tochterkern Z - Ladungszahl - Massenzahl, nzahl der Nukleonen U Th + α β - - Zerfall: Elektrons (β - - Teilchen); gleichzeitig wird auch ein ntineutrino (Massenzahl =, neutral) freigesetzt das Elektron entsteht bei Umwandlung eines Neutrons in ein Proton der entstehende Tochterkern hat eine um eine Einheit höhere Ordnungszahl und die gleiche Massenzahl wie der Mutterkern es resultiert β-strahlung n 6 Co 7 Z+ β - - Teilchen, Elektron 3 H p ntineutrino Ni 3 He - -

2 β + - Zerfall: Positrons (β + - Teilchen); gleichzeitig wird auch ein Neutrino (Massenzahl =, neutral) freigesetzt das Positron entsteht bei Umwandlung eines Protons in ein Neutron der entstehende Tochterkern hat eine um eine Einheit kleinere Ordnungszahl und die gleiche Massenzahl wie der Mutterkern β + - Teilchen sind als Bestandteil der ntimaterie nicht lebensfähig, am Ort ihrer Emission reagieren sie mit einem Elektron zu zwei γ-quanten, die unter einem Winkel von 8º abgegeben werden p C 6 8 F 9 Z- β + - Teilchen, Positron n B 5 8 O 8 Neutrino β + + β - γ Radioaktive Strahlung α - Strahlung: Heliumkerne β - Strahlung: Elektronen γ - Strahlung: elektromagnetische Strahlung γ - Strahlung ist eine Begleiterscheinung des radioaktiven Zerfalls; die beim α- bzw. β- Zerfall gebildeten Tochterkerne entstehen in einem angeregten Zustand *; beim Übergang in den Grundzustand wird ein γ-quant abgegeben * + γ γ - Strahlung entspricht in ihren Eigenschaften harter und ultraharter Röntgenstrahlung α- und β-strahlung wird durch äußere elektrische und magnetische Felder abgelenkt, γ- Strahlung hingegen nicht ktivität eines radioaktiven Präparates ktivität : nzahl der Zerfälle pro Zeiteinheit Becquerel N = [ ] = s t - s - = Bq

3 Zählrate Z: nzahl von Einzelereignissen, die mit einem Radioaktivitätsmessgerät pro Zeiteinheit registriert werden; setzt sich immer aus zwei nteilen zusammen: Nulleffekt Z N : Einzelereignisse, die von Strahlung in der Umgebung und von thermischen Effekten abstammen; dieser nteil existiert unabhängig von einem radioaktivem Präparat Zählrate eines radioaktiven Präparates Z Pr : von der Strahlung des Präparates hervorgerufene Einzelereignisse am Messgerät mit anderen Worten, es werden mit einem Messgerät immer mehr Ereignisse registriert als der ktivität des Präparates entspricht die unbekannte ktivität eines radioaktiven Präparates u kann aus der bekannten ktivität eines Standardpräparates St durch vergleichende Messung der beiden Zählraten Z u und Z St sowie des Nulleffektes Z N bestimmt werden u = St Z u -Z N Z St -Z N Zerfallsgesetz die ktivität dn/dt eines radioaktiven Präparates ist der zur Zeit t vorhandenen nzahl N radioaktiver Kerne proportional; daraus folgt das Zerfallsgesetz N = N e -λ t N nzahl der radioaktiven Kerne zum Zeitpunkt t, N nzahl der radioaktiven Kerne zum Zeitpunkt t =, λ - Zerfallskonstante zur halblogarithmischen Darstellung dieser Funktion siehe Einführung II Halbwertszeit T ½ : diejenige Zeit nach der die Hälfte des Präparates zerfallen ist; zur doppelten Halbwertszeit sind nur noch ¼ der ursprünglichen Kerne vorhanden; zur dreifachen T ½ nur noch ein /8 usw. Halbwertszeit bzw. die Zerfallskonstante charakterisieren ein gegebenes radioaktives Nuklid T ½ = ln λ N N ½ N ¼N T ½ T ½ N = N e - λ t t

4 bsorption von γ-strahlung γ-strahlung wird wie auch Röntgenstrahlung von Materie absorbiert (siehe auch Versuch 7) bsorptionsgesetz Z -Z N = (Z Z N ) e - µd Z - Z N Zählrate des Präparates ohne bsorber Zählrate des Präparates mit bsorber als Funktion der Schichtdicke d des bsorbers µ Schwächungskoeffizient, bsorptionskoeffizient d µ = d ln Z -Z N als Halbwertsdicke d / wird diejenige Schichtdicke des bsorbermaterials bezeichnet, bei der die ursprüngliche Zählrate des Präparates um die Hälfte vermindert wurde d / = ln µ Szintillationsmessplatz Szintillation bedeutet Lichtblitz nach uftreffen radioaktiver Strahlung auf mineralische Stoffe Wichtige Bauteile eines solchen Messplatzes: Szintillationskristall: meist NaI; hier werden durch radioaktive Strahlung Lichtblitze ausgelöst Sekundärelektronenvervielfacher: auch Photovervielfacher genannt; registriert einzelne Lichtquanten und wandelt diese in elektrische Impulse um Impulszähler: Zählgerät für die elektrischen Impulse im Praktikum wird die γ-strahlung von 37 Cs-Präparaten (T ½ = 3,7 a) mit einem Szintillationszähler registriert

5 Zerfallsreihen Tochterkerne eines langlebigen Nuklids zerfallen weiter bis ein stabiler Kern entsteht; eine derartige Sequenz von aufeinanderfolgenden Zerfällen heißt Zerfallsreihe ein Beispiel dafür ist die Uran-Radium- Zerfallsreihe, die mit 38 U beginnt und letztendlich das stabile Blei-Isotop 6 Pb liefert das kurzlebige Protaktinium-Isotop 3 Pa kann mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert werden und kann somit unabhängig von den anderen Komponenten dieser Zerfallsreihe analysiert werden 6 8 Pb 3 Th 9 - β - - α 3 Pa 9 - β U 3 9 U usschnitt aus der Uran-Radium-Zerfallsreihe Nützliche Kenntnisse bzw. Hinweise Kenntnisse über Exponentialfunktionen (siehe Einführung II) Kenntnisse über usgleichung von Messwerten Kenntnis und nwendung von Vorsätzen von Maßeinheiten Rechnen mit Zehnerpotenzen (Potenzgesetze!)

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