Radioaktivität im Alltag Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr VORANSICHT

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1 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 1 von 28 Radioaktivität im Alltag Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr Prof. Dr. Bärbel Fromme, Bielefeld Radioaktivität ist allgegenwärtig, aber unsichtbar. Man kann sie nicht spüren. Sie wird als unheimlich und bedrohend, jedoch häufig zugleich als faszinierend empfunden. Begeben Sie sich mit Ihren Schülern auf die Spur der natürlichen Radioaktivität in der Umwelt. Experimentell forschend finden Ihre Schüler heraus, welche Alltagsmaterialien radioaktive Stoffe enthalten. Sie erkennen dabei wichtige physikalische Grundlagen der Radioaktivität: Sie begreifen, dass der Zerfall eines Kerns ein stochastischer Prozess ist, lernen die natürlichen Zerfallsreihen kennen, messen die Halbwertszeit und gehen mit der Nuklidkarte um. Klasse: 10/11 (G8) Dauer: ca. 6 Stunden Ihr Plus: ü Schülerexperimente zur Radioaktivität ü Experimentieranleitungen zur Hinführung zu grundlegenden physikalischen Begriffen und Techniken zum Thema ü Alle radioaktiven Präparate einfach und ohne Auflagen beschaffbar und benutzbar Der Umweltradioaktivität auf der Spur Experimente mit schwach radioaktiven Stoffen aus Umwelt und Haushalt Der Beitrag im Überblick Inhalt: Nullrate Radioaktivität von Kalium 40 in Diätsalz und Düngemitteln Uranhaltige Haushaltsgegenstände Radioaktivität in Baustoffen Abstandsgesetz Radioaktivität von Hausstaub, Messung der Halbwertszeit Zerfallsgesetz

2 2 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Einführung Das Thema Radioaktivität ist insbesondere in Zeiten von Fukushima und der Diskussion um den Ausstieg aus der Kernenergie gesellschaftlich hochaktuell und in den Medien präsent. Es hat hohen Alltagsbezug, stößt bei Schülern auf großes Interesse, ist aber auch mit vielen, zum Teil auf Unkenntnis beruhenden Ängsten behaftet. Obwohl Kernphysik laut Lehrplänen im Physikunterricht sowohl in der Sekundarstufe I als auch in der Sekundarstufe II behandelt werden soll, kommt das Thema im Unterricht häufig zu kurz. Insbesondere wird zumeist kaum experimentiert, was zum Teil auf eine schlechte Ausstattung der Schulen in diesem Bereich, zum Teil aber auch auf eine verständliche Unsicherheit im Umgang mit radioaktiven Präparaten zurückgeführt werden kann. In dieser Unterrichtseinheit stellen wir Experimente vor, die mit alltäglichen, einfach und preiswert zu beschaffenden, nicht genehmigungspflichtigen radioaktiven Stoffen durchgeführt werden und mit schulüblichen Zählrohren gelingen. Die Einheit beleuchtet verschiedene Aspekte des Themas Radioaktivität. Verwenden Sie sie entweder komplett als Einstieg oder fügen Sie Teile an passender Stelle in Ihren Unterricht ein. Ihre Schüler lernen nicht nur die Radioaktivität, sondern auch verschiedene Arten natürlicher radioaktiver Strahlungsquellen in unserer Umwelt kennen. Die Experimente sind so konzipiert, dass Sie sie sowohl als Lehrerversuch durchführen als auch von Ihren Schülern selbst durchführen lassen können nach entsprechender Einweisung in die einfachsten Grundregeln des Strahlenschutzes (M 2). Es werden nur relativ schwach radioaktive Präparate benutzt, die sich zudem jeder einfach beschaffen kann. Außerdem werden die Präparate nicht offen, sondern ausschließlich verpackt verwendet. Anhand der Experimente und Materialien lassen sich viele grundlegende Tatsachen, Größen und Gesetzmäßigkeiten aus dem Bereich der Radioaktivität wiederholen oder einführen, z. B.: verschiedene Zerfallsarten (M 1, Ex 3, Ex 5, Ex 7), Strahlenschutzregeln (M 2), ionisierende Wirkung und Nachweis radioaktiver Strahlung (M 3, M 4), Nullrate (Ex 1), natürliche Zerfallsreihen und Umgang mit der Nuklidkarte (M 5, Ex 4, Ex 5, Ex 7), Abstandsgesetz (Ex 6), Abschirmung (Ex 6) und Halbwertszeit (Ex 7). Eine Hinführung zum Begriff der Aktivität und zum radioaktiven Zerfallsgesetz ist mit Experiment 7 ebenfalls möglich. Natürliche Radioaktivität Auf der Erde sind wir beständig natürlicher Radioaktivität ausgesetzt, die sowohl aus terrestrischen als auch kosmischen bzw. durch kosmische Strahlung in der Atmosphäre erzeugten Anteilen (kosmogene Strahlung) besteht. Die Aufnahme radioaktiver Stoffe mit der Nahrung führt auch zu einer natürlichen Radioaktivität des Menschen. Terrestrische Strahlung Die terrestrische Strahlung wird durch natürlich vorkommende radioaktive Isotope hervorgerufen. Einen großen Anteil daran haben die im Gestein vorkommenden Uran- und Thoriumisotope 238 U und 232 Th, die eine sehr große Halbwertszeit besitzen, und deren radioaktive Zerfallsprodukte. Die Zerfallsreihen dieser Nuklide finden Sie im Anhang ( 238 U) und auf CD-ROM 28 ( 232 Th). Die Lernenden sollen sie auf der Materialseite M 5 eintragen. Eine weitere natürliche Strahlungsquelle ist Kalium 40. Kalium ist ein auf der Erde sehr häufig vorkommendes Element. Natürliches Kalium besteht im Wesentlichen aus den stabilen Isotopen 39 K und 41 K, enthält aber auch knapp 0,012 % des langlebigen radioaktiven Isotops 40 K (Halbwertszeit: 1, a). Dieses ist aufgrund seines leichten Neu-

3 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 3 von 28 tronenüberschusses überwiegend ein β -Strahler, aber auch K-Einfang ist möglich. 40 K zerfällt folgendermaßen: K Ca + e +ν mit einer Wahrscheinlichkeit von 89,5 % e K + e Ar +ν mit einer Wahrscheinlichkeit von 10,5 % e Das entstehende Ca- bzw. Ar-Isotop ist stabil. Zusätzlich werden γ-quanten emittiert, da die Ar-Tochterkerne zunächst noch angeregt sind. Kosmische und kosmogene Strahlung Aus dem Weltall gelangt ständig Strahlung zur Erde. Diese besteht unter anderem aus den Partikeln des Sonnenwindes, der überwiegend Protonen und α-teilchen, aber auch Elektronen und Neutronen enthält. Ein großer Teil dieser Strahlung gelangt nicht zum Erdboden, sondern führt in der Atmosphäre zu Kernumwandlungen, bei denen radioaktive Isotope entstehen können, deren Strahlung die Lebewesen auf der Erde ausgesetzt sind und die sie auch mit der Nahrung aufnehmen. Wichtige Beispiele sind 14 C und Tritium, die z. B. durch die Reaktionen N+ n C+ p bzw gebildet werden. N+ n C+ H C ist ein β-strahler mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Es spielt eine wichtige Rolle bei der Altersbestimmung organischen Materials: 14 C kommt im natürlichen Kohlenstoffisotopengemisch auf der Erde ursprünglich nicht vor. In Lebewesen, die das in der Atmosphäre gebildete 14 C mit der Nahrung oder durch Fotosynthese aufnehmen, besteht durch das Zusammenspiel von ständiger Aufnahme und Zerfall ein praktisch konstantes Mengenverhältnis von 14 C zu den stabilen Isotopen 12 C und 13 C. Die Veränderung dieses Verhältnisses nach dem Tod des Organismus durch die fehlende neue Aufnahme und den Zerfall des vorhandenen 14 C wird zur Altersbestimmung benutzt. Strahlung des Menschen Jeder Mensch stellt eine natürliche Strahlungsquelle von einigen 1000 Zerfällen/s dar. Verursacht werden diese Zerfälle durch natürliche Radionuklide, die mit Nahrung und Trinkwasser aufgenommen werden. Die weitaus größte Rolle spielt hier 40 K. Im Körper eines Erwachsenen befinden sich mehr als 100 g Kalium und damit natürlicherweise mehr als 10 mg 40 K. Kalium, das z. B. für die Nervenleitung benötigt wird, muss ständig mit der Nahrung aufgenommen werden, um eine ausreichende Versorgung zu gewährleisten. Besonders kaliumreiche Lebensmittel sind unter anderem Erbsen, Spinat und Bananen. Hinzu kommt Strahlung aus dem Zerfall von Tritium und 14 C sowie von Isotopen der natürlichen Zerfallsreihen, also von 238 U, 232 Th und ihren Zerfallsprodukten (M 5). Eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen Radionuklide, die durch Einwirkungen des Menschen in die Umwelt und damit in die Nahrungskette gelangt sind: Bei den Reaktorunfällen von Tschernobyl und Fukushima sowie den oberirdischen Atombombentests der 1950er-Jahre wurden größere Mengen der recht langlebigen Nuklide 137 Cs und 90 Sr (Halbwertszeit circa 30 bzw. 29 Jahre) frei, die sich chemisch ähnlich wie Kalium und Kalzium verhalten und im Körper entsprechend z. B. in den Knochen im Falle des Strontiums eingebaut werden. Das ebenfalls bei den Reaktorunfällen erzeugte und in der Schilddrüse angereicherte Jod-Isotop 131 I hat hingegen nur eine Halbwertszeit von 8 Tagen und damit eine nur geringe Verweildauer im Körper.

4 6 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch (SW)-Fo = (Schwarz-Weiß-)Folienvorlage M 1 SW-Fo, Ab Verschiedene Zerfallsprozesse M 2 SW-Fo, Ab Unbedingt beachten! Grundregeln des Strahlenschutzes M 3 SW-Fo, Ab Die Wirkung der Radioaktivität Ionisation M 4 SW-Fo, Ab Wie funktioniert ein Geiger-Müller-Zählrohr? M 5 SW-Fo, Ab Die Zerfallsreihen des Uran 238 und Thorium 232 Ex 1 SV Die Nullrate Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr V: 5 min D: 15 min r Zählrohr r Zählgerät Ex 2 SV Radioaktivität auf dem Frühstücksei? Verschiedene Salze V: 5 min D: 25 min r Zählrohr und Zählgerät r Tüte mit NaCl r Tüte mit Diätsalz r Tüte mit KCl Ex 3 SV Radioaktives Gemüse? Kaliumgehalt von Düngemitteln V: 5 min D: 20 min r Zählrohr r Zählgerät r Tüten mit verschiedenen kaliumhaltigen Düngern Ex 4 SV Auf der Jagd nach radioaktiven Gegenständen im Haushalt V: 5 min D: 20 min r Zählrohr r Zählgerät r verschiedene uranhaltige Haushaltsgegenstände Ex 5 SV Radioaktive Steine und Baustoffe Zerfallsreihe des 232 Th V: 5 min D: 25 min r Zählrohr und Zählgerät r Fliesen r Kalksandstein r Columbit Ex 6 SV Sicherheitsabstand ist nicht nur auf der Autobahn nötig V: 10 min D: 45 min r Zählrohr und Zählgerät r Glühstrumpf r optische Bank r 2 Reiter r Halterung r Stativklemme Ex 7 SV Auch Staub ist radioaktiv! Das Zerfallsgesetz V: 5 min D: > 90 min r Zählrohr und Zählgerät r Faden r Luftballon r Wolltuch oder Pullover Minimalplan Die Materialien M 1 M 5 vermitteln Grundwissen und sind deshalb notwendig. Von den Experimenten können Sie einzelne auswählen.

5 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 7 von 28 M 1 Verschiedene Zerfallsprozesse α-zerfall Neutronenreiche Kerne können spontan Heliumkerne (α-teilchen) emittieren. Dabei verringert sich die Ordnungszahl (Kernladungszahl) um 2, die Massenzahl um 4. ß-Zerfall In Kernen mit Neutronenüberschuss kann sich spontan ein Neutron in ein Proton umwandeln. Aus dem Kern wird dabei ein schnelles Elektron (β-teilchen) und ein Anti-Neutrino emittiert. Die Ordnungszahl erhöht sich um 1. Nach einem Zerfall kann der Kern noch überschüssige Energie in Form von γ-strahlung emittieren.

6 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 9 von 28 M 3 Die Wirkung der Radioaktivität Ionisation Radioaktivität macht sich durch ihre ionisierende Wirkung bemerkbar. Sie wird daher auch ionisierende Strahlung genannt. Nachweis: Radioaktive Strahlung weist man über ihre ionisierende Wirkung nach. Die freien Elektronen erzeugen (z. B. in einem Zählrohr) einen elektrischen Impuls und können so mit einem Zähler registriert werden. Die biologische Wirksamkeit radioaktiver Strahlung beruht auf der Ionisation. Vom Körper gebildete Substanzen werden durch die Ionisation fehlerhaft produziert. Es entstehen Gifte und freie Radikale. Die Zellteilung wird durch die Ionisation gestört: Die Zelle reproduziert sich fehlerhaft. Strahlenschäden betreffen daher vermehrt Zellsysteme, deren Zellen sich häufig teilen (wie z. B. das blutbildende System). Die massereichen α-teilchen haben ein großes Ionisationsvermögen und daher die größte biologische Wirksamkeit allerdings nur, wenn sie in den Körper gelangen, da sie die Haut nicht durchdringen.

7 10 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr M 4 Wie funktioniert ein Geiger-Müller-Zählrohr? Aufbau: Mantel (Metallrohr) mit Gas geringen Drucks gefüllt Eintrittsfenster (dünne Metallfolie) Draht, der isoliert nach außen geführt und mit einem Zähler verbunden ist Spannung zwischen Draht und Mantel: V Funktionsweise: Radioaktive Strahlung ionisiert Gasatome Ionen und Elektron werden zum Mantel bzw. Draht beschleunigt und ionisieren durch Stoß weitere Atome Lawine von Ladungen entsteht Ein einzelnes einfallendes radioaktives Teilchen führt so zur kurzzeitigen Ionisation praktisch aller Gasatome im Rohr Elektronenlawine fließt als Stromimpuls über den Draht in einen Zähler, der bei jedem Impuls um 1 weiterzählt so wird die radioaktive Strahlung dort registriert. Falls Stromimpuls auch durch Lautsprecher fließt: Knacken! Ionen nehmen am Mantel fehlende Elektronen auf und werden wieder zu neutralen Gasatomen

8 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 13 von 28 Ex 2 Radioaktivität auf dem Frühstücksei? Verschiedene Salze Ziel des Versuchs Viele Menschen möchten sich natriumarm ernähren und verzichten daher möglichst auf Kochsalz. Dazu greifen sie ersatzweise auf sogenanntes Diätsalz zurück. Untersuchen Sie Kochsalz und Diätsalz bezüglich ihrer Radioaktivität. Schülerversuch: Salze Vorbereitung: 5 min Durchführung: 25 min Materialien r Zählrohr und Zählgerät r Tüte mit NaCl r Tüte mit Diätsalz r Tüte mit KCl Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Untersuchen Sie nacheinander die beiden Präparate (Tütchen mit Kochsalz (NaCl) und Diätsalz). Positionieren Sie das Eintrittsfenster des Zählrohrs möglichst dicht über dem Präparat. Wählen Sie eine Messzeit von 1 min (wahlweise auch 50 s oder 100 s), führen Sie an beiden Präparaten mindestens 5 Messungen durch und notieren Sie die Messwerte. Aufgaben 1. Berechnen Sie den Mittelwert Ihrer Messwerte. Subtrahieren Sie die in Experiment 1 ermittelte Nullrate. Bei welchem Salz haben Sie radioaktive Strahlung nachgewiesen? 2. Informieren Sie sich über die Inhaltsstoffe von Diätsalz und vergleichen Sie sie mit denen des Kochsalzes. Stellen Sie eine Vermutung an: Welcher Inhaltsstoff bzw. welches chemische Element könnte für die Radioaktivität verantwortlich sein? 3. Überlegen Sie, um welches Präparat Sie Ihren Lehrer bitten könnten, um Ihre Vermutung zu beweisen. Erhärten Sie Ihre Vermutung durch eine Messung am gewünschten Stoff.

9 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 15 von 28 Ex 4 Auf der Jagd nach radioaktiven Gegenständen im Haushalt Ziel des Versuchs Altes, grün fluoreszierendes Glas, fluoreszierende Zeiger uralter Wecker, rote/orange/gelbe Glasur alles das kann Uran enthalten und radioaktive Strahlung aussenden. Gehen Sie auf die Jagd nach radioaktiven Gegenständen im Haushalt! Schülerversuch: Haushaltsgegenstände Vorbereitung: 5 min Durchführung: 20 min Materialien r Zählrohr r Veschiedene uranhaltige Haushaltsgegenstände r Zählgerät Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Untersuchen Sie mitgebrachte Haushaltsgegenstände und die, die Ihr Lehrer zur Verfügung stellt: Bringen Sie dazu den zu untersuchenden Gegenstand dicht an das Zählrohr und starten Sie eine Messung. Falls Sie Anzeichen für eine über der Nullrate (vgl. Experiment 1) liegende Zählrate haben, messen Sie diese genau: Wählen Sie dazu eine Messzeit von 1 min (wahlweise auch 50 s oder 100 s) und führen Sie einige Messungen für jeden Gegenstand durch. Bei Gegenständen mit unterschiedlich farbigen Glasuren sollten Sie jeweils die Stelle mit der höchsten Radioaktivität suchen und vermessen. Falls Ihr Zählgerät einen Lautsprecher hat: Lassen Sie es knacken! Aufgaben 1. Berechnen Sie den Mittelwert Ihrer Messwerte. Subtrahieren Sie die in Experiment 1 ermittelte Nullrate. 2. Erstellen Sie eine Tabelle der verschiedenen Gegenstände und der gemessenen Zählraten. Welcher Gegenstand weist die höchste Radioaktivität auf? 3. Machen Sie sich mit der Nuklidkarte, die Sie z. B. in Ihrem Physikbuch oder im Internet finden, vertraut. Zeichnen Sie die Zerfallsreihe des 238 U (M 5) in Form der Nuklidkarte oder markieren Sie die Zerfallsreihe in der Kopie einer Nuklidkarte. Lesen Sie die fehlenden Halbwertszeiten ab und tragen Sie sie in die Tabelle (M 5) ein. Für Experten Manche Nuklide können auf verschiedene Art zerfallen. Finden Sie die weiteren Möglichkeiten des Zerfalls von 238 U in 206 Pb heraus. Zeichnen Sie sie ein.

10 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 17 von 28 Ex 6 Sicherheitsabstand ist nicht nur auf der Autobahn nötig Ziel des Versuchs Nach einer der Grundregeln des Strahlenschutzes (M 2) soll man einen möglichst großen Abstand zu einer radioaktiven Quelle einhalten. Zeigen Sie, dass das sinnvoll ist! Schülerversuch: Abstand Vorbereitung: 10 min Durchführung: 45 min Materialien r Zählrohr und Zählgerät r Halterung r Glühstrumpf r optische Bank r 2 Reiter r Stativklemme Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Glühstrümpfe werden in Gaslampen verwendet ältere Modelle enthalten eine Thorium- Verbindung (radioaktiv). Verwenden Sie solche Glühstrümpfe nur einlaminiert oder im verschlossenen Kasten. Stellen Sie das Zählrohr vor einen radioaktiven Glühstrumpf (oder ein anderes radioaktives Präparat) z. B. auf eine optische Bank. Erstellen Sie eine Messreihe der Zählrate in Abhängigkeit von dem Abstand von Zählrohr und Strahlungsquelle. Wählen Sie eine Messzeit von 1 min (wahlweise auch 50 s oder 100 s) und führen Sie für jeden gewählten Abstand mindestens 5 Messungen durch. Aufgaben 1. Berechnen Sie für jeden Abstand den Mittelwert Ihrer Messwerte. Subtrahieren Sie die in Experiment 1 ermittelte Nullrate. 2. Tragen Sie die Messwerte über dem Abstand auf und interpretieren Sie Ihre Messkurve. Für Experten Überlegen Sie sich, welcher Gesetzmäßigkeit die Abhängigkeit der Zählrate vom Abstand unterliegt. Nehmen Sie dafür an, dass die Strahlungsquelle punktförmig ist und gleichmäßig kugelförmig in alle Richtungen strahlt. Legen Sie mithilfe eines Computers oder grafikfähigen Taschenrechners eine passende Kurve der Form f(x) = a x b (a, b q) durch Ihre Messwerte. Beobachten Sie Abweichungen zu Ihren theoretischen Überlegungen? Wenn ja, worin könnten sie begründet sein?

11 18 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr Ex 7 Auch Staub ist radioaktiv! Das Zerfallsgesetz Hausstaub enthält schnell zerfallende radioaktive Nuklide: Das radioaktive Edelgas 222 Rn, das beim Zerfall von Uran (natürlich in Baustoffen vorkommend) entsteht, gelangt in die Raumluft. Die Zerfallsprodukte finden sich im Staub. Bei frisch aufgefangenem Staub ist die Radioaktivität von 218 Po, 214 Pb und 214 Bi messbar. Man kann die Halbwertszeit bestimmen. Schülerversuch: Baustoffe Vorbereitung: 5 min Durchführung: 90 min Materialien r Zählrohr und Zählgerät r Faden r Luftballon r Wolltuch oder Pullover Versuchsaufbau Versuchsdurchführung Laden Sie einen aufgeblasenen Luftballon durch Reiben mit Wolle elektrostatisch auf und hängen Sie ihn frei in einem länger nicht gelüfteten Raum (z. B. Keller) auf. Staub wird durch die Strahlung seiner radioaktiven Bestandteile ionisiert und vom Luftballon angezogen. Nach circa 30 min nehmen Sie den Luftballon ab, lassen die Luft heraus und legen die Luftballonhülle dicht vor ein Zählrohr. Wählen Sie eine Messzeit von 1 min (wahlweise auch 50 s oder 100 s), messen Sie fortlaufend 90 oder besser 120 min lang. Notieren Sie die Messwerte. Wenn Sie ein geeignetes Computer- oder Taschenrechnermesssystem haben, lassen Sie die Messung automatisch ablaufen. Aufgaben 1. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem die Zählrate über der Zeit aufgetragen ist. Beachten Sie dabei, dass die in Experiment 1 ermittelte Nullrate subtrahiert werden muss. 2. Sie beobachten eine zunächst ansteigende, dann einige Minuten nahezu konstant bleibende Zählrate, bevor sie mit fortschreitendem Zerfall der radioaktiven Nuklide erwartungsgemäß abnimmt (radioaktives Zerfallsgesetz). Versuchen Sie, das seltsame Anfangsverhalten zu erklären. a) Ihr Zählrohr weist β-strahlung wesentlich besser als α-strahlung nach. b) Verwenden Sie die Zerfallsreihen von Material M Zeichnen Sie eine Ausgleichskurve durch den abfallenden Teil der Messwerte. Ermitteln Sie die Halbwertszeit des Hausstaubs: Markieren Sie die Zählrate zu Beginn des Abfalls und bestimmen Sie die Zeitspanne, nach der die Zählrate (und damit auch die Anzahl der zerfallenden Kerne) auf die Hälfte abgenommen hat. Vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit den Halbwertszeiten der Tochternuklide 218 Po, 214 Pb und 214 Bi des 222 Rn. Diskutieren Sie Ihr Ergebnis.

12 4. Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr 19 von 28 Erläuterungen und Lösungen M 1 M 5 Kopieren Sie die Materialien auf Folie und teilen Sie sie zusätzlich als Kopie an Ihre Schüler aus. Letzteres gilt insbesondere für Material M 5, wenn Sie die Schüler die Experimente 4, 5 oder 7 eigenständig durchführen lassen. M 1 Verschiedene Zerfallsprozesse Den α- und β-zerfall kennen Ihre Schüler wahrscheinlich schon aus früheren Klassenstufen. Das Material M 1 ist deshalb zur Wiederholung gedacht; die Bedeutung von Massen- und Ordnungszahl der Elemente sowie die Begriffe Isotop und Nuklid sollten Sie erklären. Die Massenzahl gibt die Anzahl der Nukleonen (Neutronen + Protonen) im Atomkern an, die Ordnungszahl (= Kernladungszahl) die der Protonen. Atome mit der derselben Ordnungszahl gehören zum selben chemischen Element, da die Anzahl der Protonen im Atomkern mit der Anzahl der Elektronen in der Atomhülle, die das chemische Verhalten eines Stoffes bestimmt, übereinstimmt. Atome desselben chemischen Elementes (also gleicher Ordnungs- bzw. Protonenzahl) aber unterschiedlicher Neutronen- und damit Massenzahl, nennt man Isotope. In der Kernphysik wird häufig praktisch synonym zum Begriff Isotop - der Ausdruck Nuklid verwendet. γ-strahlung Anknüpfungspunkt zur Atomphysik Erwähnen Sie auch die γ-strahlung. Falls Sie im Rahmen der Atomphysik schon An- und Abregungsprozesse bei Atomen behandelt haben, lässt sich hier problemlos anknüpfen: Erklären Sie Ihren Schülern, dass ein Kern nach einem Zerfall häufig im angeregten Zustand zurückbleibt. Beim Übergang in einen energetisch niedrigeren Zustand emittiert er dann elektromagnetische Strahlung wie beim äquivalenten Prozess in der Elektronenhülle, jedoch von wesentlich höherer Energie. Gehen Sie wegen der großen Bedeutung in Astro- und Teilchenphysik beim β-zerfall auch auf das Neutrino bzw. Anti-Neutrino ein. In der Sekundarstufe I wurde die Existenz dieser Teilchen zumeist nicht behandelt. M 2 Unbedingt beachten! Grundregeln des Strahlenschutzes Die Behandlung und Einhaltung der Grundregeln des Strahlenschutzes im Unterricht sollte auch bei den hier benutzten, nicht genehmigungspflichtigen und (wenn nötig) verpackten radioaktiven Quellen selbstverständlich sein. Die Bedeutung des Abstandes zum radioaktiven Präparat erforschen Ihre Schüler in Experiment 6. Den Effekt der Abschirmung können sie bei praktisch jedem der Experimente (insbesondere aber auch bei Experiment 6) nachweisen, indem sie zwischen Präparat und Zählrohr verschiedene Materialien einfügen. M 3 Die Wirkung der Radioaktivität Ionisation Das Material behandelt die ionisierende Wirkung radioaktiver Strahlung. Diese ist für ihren Nachweis und ihre biologische Wirksamkeit von Bedeutung.

13 20 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr M 4 Wie funktioniert ein Geiger-Müller-Zählrohr? Das Material erklärt vereinfacht den Aufbau und die Funktionsweise des Zählrohrs. Verzichtet haben wir auf folgende Punkte: Kondensator in der Leitung zum Zähler: Der Kondensator ist Teil einer Hochpassschaltung zusammen mit dem hochohmigen Widerstand. Er stellt für die zu registrierenden Stromimpulse nur einen geringen Widerstand dar, schützt den Zähler jedoch aufgrund seines hohen Gleichstromwiderstandes vor Gleichströmen, die durch die angelegte Betriebsspannung entstehen. Löschgas, das die vollständige Ionisierung im Zählrohr nach Durchgang eines radioaktiven Teilchens schnell zum Erliegen kommen lässt, und die mit der vollständigen Ionisierung zusammenhängende Totzeit des Rohres, während der keine weiteren Teilchen registriert werden. Beides muss nicht zwingend thematisiert werden, da die im Unterricht im Allgemeinen benutzten, von Lehrmittelfirmen gelieferten Zählrohre und -geräte keinen für Schüler erkennbaren Hinweis auf diese Größen zeigen. Nachweis von γ-strahlung: γ-quanten werden vom Zählrohrgas nur wenig absorbiert, gehen also praktisch ungehindert ohne Ionisation hindurch. Der Nachweis dieser Strahlung erfolgt über Fotoelektronen, die die γ-quanten aus dem Zählrohrmantel herausschlagen und die dann ihrerseits eine Ionisationslawine im Zählrohrgas auslösen. Vernetzung mit anderen Unterrichtsgegenständen Material M 4 geht auf die Bedeutung des Fotoeffektes beim Nachweis von γ-strahlung nicht ein. Falls Sie aber den Fotoeffekt bereits behandelt haben, bietet es sich an, hier eine Brücke zu schlagen und das Wissen der Schüler zu vertiefen. M 5 Die Zerfallsreihen des Uran 238 und Thorium 232 Material M 5 ist als Arbeitsblatt zu den Experimenten 4, 5 und 7 gedacht. Ihre Schüler benutzen es in Zusammenhang mit einer Nuklidkarte. Geeignete Nuklidkarten finden sie in ihrem Physikbuch oder im Internet (Mediathek). Da der Begriff Halbwertszeit hier eine große Rolle spielt, haben wir eine kurze Definition (einschließlich des Zusammenhangs zwischen Aktivität und Anzahl der noch vorhandenen, potenziell zerfallenden Kerne) zur Information oder Erinnerung für Ihre Schüler hinzugefügt. Ex 1 7 Allgemeine Hinweise zu den Experimenten Die Versuche wurden mit verschiedenen schulüblichen Zählrohren und den zugehörigen Zählgeräten ausprobiert. Nur solche, die mit allen verwendeten Zählrohren funktionierten, fanden hier Aufnahme. Trotzdem sollten Sie die Experimente, bei denen die Zählrate oft nur wenig über der Nullrate liegt (z. B. Experiment 5), mit den Geräten Ihrer Schule vorab durchführen, um festzustellen, ob deren Empfindlichkeit wirklich ausreicht. Die Empfindlichkeit hängt unter anderem wesentlich von der Größe des Eintrittsfensters (der empfindlichen Fläche) ab. Für die meisten Experimente mit natürlichen Strahlern geringer Aktivität sind β-empfindliche Zählrohre mit großer empfindlicher Fläche (wie z. B. das sogenannte Fingerzählrohr) günstig, aber nicht zwingend nötig. In den Versuchsanleitungen ist im Allgemeinen nur gefordert, dass die Schüler mindestens fünf Messungen zur Mittelwertberechnung und Subtraktion der Nullrate durchführen sollen. Entscheiden Sie anhand der Empfindlichkeit Ihres Zählrohrs und des gemessenen Zählraten-zu-Nullraten-Verhältnisses vorab, ob fünf Messungen für ein aussagekräftiges, außerhalb der Fehlergrenzen der Nullrate liegendes Messergebnis ausreichen. Wenn nicht, geben Sie den Schülern eine größere Anzahl Messungen vor.

14 28 von Messungen mit dem Geiger-Müller-Zählrohr Anhang: Zerfallsreihe von 238 U