Physikalisches Anfaengerpraktikum. Radioaktivität

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1 Physikalisches Anfaengerpraktikum Radioaktivität Ausarbeitung von Constantin Tomaras & David Weisgerber (Gruppe 10) Montag, 28. November

2 (1) Einleitung Im folgenden Versuch beschäftigen wir uns mit der Messung radioaktiver Strahlung verschiedener Strahlungsquellen und versuchen anhand deren Qualität auf die Quelle der Strahlung einzugehen. (2) Versuchsaufbau Gemessen wird bei diesem Versuch die Gammastrahlung die als Nebenprodukt bei fast allen Kernzerfällen entsteht. Hierzu verwenden wir einen Natrum-Iod-Kristall (NaI- Szintillationszähler) und einen Photomultiplier der an einen PC angeschlossen wird. Die in den Kristall einfallende Gammastrahlung regt die Atome im Kristall an die dann im Endeffekt je nach Energie des Gammaquants Lichtquanten aussendet die dann vom Photomultiplier registriert werden und deren Energie auf diese weise relativ Präzise bestimmt werden kann. Dabei treten einige kernphysikalische Nebeneffekte auf die im folgenden noch eingegangen wird. (3) Eichmessung Zur Kalibrierung des Messgerätes verwenden wir drei verschiedene bekannte Radioisotope deren Zerfallsarten und die dazugehörigen Energien der Gammaquanten in der Versuchsbeschreibung dokumentiert sind. Der Photomultiplier sendet dem PC auf 1024 verschiedenen Kanälen jeweils ein Ereignis, dass dann vom PC gezählt wird und auf in einem Diagramm angezeigt wird. Die Kanalnummern verhalten sich dabei direkt proportional zur Energie die das registrierte Teilchen hatte. Um den Kanalnummern Energiewerte zuzuordnen wird diese Eichmessung mit Na 22, Co 60 und Cs 137 durchgeführt. Um die Hintergrundstrahlung möglichst abzuschirmen wurden die Proben mit Bleiziegeln eingemauert. Die Photomultiplierspannung betrug bei allen Messungen (bis auf die Messung der Höhenstrahlung) 960V. i) Messung von Cs 137 Cs 137 β(-)-zerfall Kanalnummer Peak 249 Energie laut Anleitung: 662 kev ROI Start: 225 ROI Int: ROI Stop: 274 ROI Net: Cäsium-137 mit einem Peak bei 662 kev 2

3 ii) Messung von Co 60 Co 60 β(-)-zerfall Kanalnummer Peak Energie laut Anleitung: 1173 kev ROI Int: ROI Net: Kanalnummer Peak Energie laut Anleitung: 1333 kev ROI Int: ROI Net: Kobalt-60 mit Peaks bei 1173 kev und 1333 kev Beim Kobalt kann man am rechten Rand noch einen leichten Peak bei Kanal 900 feststellen. Dieser resultiert aus einer möglichen Überlappung der beiden gekennzeichneten Ereignisse die der Photomultiplier nicht unterscheiden kann. Die Hügellandschaft davor ist ebenfalls für unsere Eichmessung unerheblich kommt vom Comptoneffekt bei der die Gammaquanten infolge elastischer Stöße an der Elektronenhülle von Atomen Teile ihrer Energie verlieren. Man spricht hier auch vom Compton-Gebirge. iii) Messung von Na 22 Na 22 β(+)-zerfall Kanalnummer Peak Energie laut Anleitung: 511 kev ROI Int: ROI Net: Kanalnummer Peak Energie laut Anleitung: 1275 kev ROI Int: 4154 ROI Net: 2852 Kanalnummer Peak Energie laut Anleitung: 1786 kev ROI Int: 1618 ROI Net:

4 Beim Natrium sind zwei interessante Effekte zu beobachten. Zum einen der linke Peak bei 511 kev, der von einer Materie-Antimaterie-Reaktion zwischen einem Elektron und einem Positron herrührt. Beim zerstrahlen des Positrons vom Beta-Plus-Zerfall des Natriums mit einem Elektron entstehen zwei Gammaquanten mit jeweils 511 kev (dies entspricht der Ruhemasse des Positrons) um die Impulserhaltung nicht zu verletzen. Der zweite Peak bei 1275 kev stammt vom Gammaquant das nach dem Zerfall vom Kern emittiert wird und der dritte Peak bei 1786 kev stammt von einer Überlappung der beiden Ereignisse die vorher beschrieben wurden. iv) Energie-Eichungskurve Natrium-22 mit Peaks bei 511 kev, 1275 kev und 1786 kev Im folgenden Diagramm wurden die in den Punkten i) bis iii) bestimmten Messwerte aufgetragen: 4

5 Als Eichgerade erhielten wir: E=2,82 Kanal kev 44 kev Kanalnummer Wie man aus dem Graphen erkennen kann erhielten wir eine Eichgerade die ziemlich exakt durch alle Meßpunkte durchgeht. Als Offset erhalten wir 44 kev die jeweils abgezogen werden müssen. v) Jährliche Strahlenbelastung beim Leben mit einer Cs 137 -Quelle Um die Strahlenbelastung abschätzen zu können die entsteht wenn man die ganze Zeit die ausgemessene Cäsium-137-Quelle mit sich in 1m Abstand herumtragen würde berechnen wir zuerst die Aktivität der Quelle: A 1990 =333kBq A 2005 = A 1990 e t mit = ln 2 Cs 137 =30,2a t=15a A 2005 =236kBq Um zu bestimmen wie groß der Anteil ist den ich von der Strahlung aufnehme berechne ich den Raumwinke den ich in 1m Entfernung habe: = S r = Höhe Breite 720 0,45 m 2,0 m 720 = =51,6 2 r 2 4 1m 2 4 Das bedeutet dass ich 7,2% der Gesamtstrahlung aufnehme. Das heißt pro Jahr nehme ich folgende Gesamtenergie durch die Cäsium-Quelle auf: E a =0,072 A E mj 31536ks=355 PeV =56 a Bei meiner Körpermasse von 75 kg entspricht das einer Äquivalenzdosis von: J Aq= E Q 0,056 m = a 1 =0,75 msv 75kg Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland liegt bei 2,4 msv im Jahr, d.h. die Cäsium-Quelle führt nur zu einem Anstieg um 23%. 5

6 (4) Messung der Hintergrundstrahlung i) Messung ohne Bleiabschirmung Zur Messung der Hintergrundstrahlung wurden alle Meßproben soweit wie möglich vom Szintillationszähler entfernt und die Bleiabschirmung abgebaut. Danach wurde eine 9- minütige Messung durchgeführt und die Gesamtaktivität Hintergrundstrahlung ohne Abschirmung ROI Int: ROI Net: Die Hintergrundaktivität im MI-Gebäude Wir erhielten also eine Gesamtaktivität von ca Ereignissen in 9 Minuten. D.h. Die wir haben eine Gesamtaktivität von ca Ereignissen pro Minute. ii) Messung mit Bleiabschirmung Um später bei schwächeren Strahlungsquellen die Hintergrundaktivität mit Bleiabschirmung berücksichtigen zu können wurde der Detektor wieder mit Bleiziegeln eingemauert und eine 10-minütige Messung durchgeführt. Mit dieser Messung können wir später die Aktivität genauer bestimmen da wir durch die Hintergrundstrahlung entstehende Ereignisse von unsere Meßergebnissen abziehen können. Hintergrundstrahlung mit Abschirmung ROI Int: ROI Net:

7 Hintergrundstrahlung im MI-Gebäude mit Abschirmung Wir erhielten eine Gesamtaktivität von ca Ereignissen pro 10 Minuten was wiederum einer Aktivität von 3150 Ereignissen pro Minute entspricht. Die Bleiziegeln bewirken also eine Senkung der Hintergrundstrahlung auf 1/3. iii) Natürliche Strahlenbelastung durch niederenergetische γ-quanten Zur Abschätzung der jährlichen natürlichen Strahlenbelastung durch niederenergetische Gammaquanten wie wir sie hier messen können benötigen wir zuerst die Masse des NaI- Kristalls des Szintillationszählers: m= V = r 2 h=1,29 kg Unter der Annahme, dass ein Gammaquant im durchschnitt 100 kev Energie besitzt bekommen wir folgende Strahlungsdosis pro Jahr für einen Menschen mit 75 kg: E Kristall absorbiert in 9 min. = keV =9,38GeV E 1 kg in 1 min. =808MeV =1, J E 1 kg in 1a =0,068mJ Aq=E Q=0,068 msv Die Strahlenbelastung durch niederenergetische Gammaquanten macht also einen relativ geringen Prozentsatz der Gesamtstrahlenbelastung pro Jahr aus. 7

8 (6) Messung einer Kaliumcarbonat-Probe i) Messung der Aktivität der Kaliumcarbonat-Probe Als nächstes haben wir die Aktivität einer K 2 CO 3 -Probe bestimmt in dem wir sie 10 Minuten lang mit dem Detektor ausgemessen haben. K 2 CO 3 m=100,34g Kanalnummer Peak 521 ROI Net 1453 Dazugehörige Energie 1426 kev ROI Int 2072 Energie K kev Probe die Kalium-40 als radioaktives Isotop enthält Der Peak bei einer Energie von 1426 kev stimmt ziemlich gut mit den Literaturwerten für die Energien von Kalium-40 von 1461 kev überein. ii) Berechnung der Aktivität von Kalium-40 Zur Berechnung der Aktivität berechnen wir zunächst die Anzahl der Kalium-Atome in unserer Probe: m K2 CO 3 =138u m 6, kg u n K 2 CO 3 = =4, m K 2 CO 3 n K =8, Bei einem Anteil von 0,01% radioaktiven Kalium-40 Atomen haben wir folgende Anzahl von radioaktiven K-40 Atomen in unserer Probe: n K 40 =n K 0,0001=8,

9 Darüber können wir die Aktivität von K-40 errechnen: A= n K = ln 2 T 1/ 2 n K =1,5 kbq Wir dagegen haben folgenden Wert gemessen: A=2,42 Bq Der Unterschied von 2 Größenordnungen muß sich damit erklären lassen, dass nicht alle zerfallenen Kerne ihre Gammaquanten in Richtung Szintillationszähler emittieren und damit nur ein geringer Teil dort ankommt. Außerdem wurde bei unserer Messung ein gewisser Teil nicht als Kalium-40-Strahlung registriert da er als Comptonstreuung vernachlässigt wurde (siehe Aktivität des Compton-Gebirges). (7) Messung von bayerischem Kuhmilchpulver aus dem Jahre 1986 i) Messung der Probe Durch das Reaktorunglück von Tschernobyl im Jahr 1986 gingen vor allem auch in Bayern größere Mengen radioaktiven Niederschlags nieder. Dabei wurden Wiesen und Wälder stark mit dem radioaktiven Isotop Cäsium-137 konterminiert. Bei dieser Messung wird die Aktivität von Cäsium-137 in einer Kuhlmilchpulver-Probe nach der Tschernobyl- Katastrophe bestimmt. Die Kühe haben das Cäsium-137 durch das fressen von konterminierten Gras aufgenommen. Milchpulver 1986 m=375g Kanalnummer Peak 251 ROI Net 4326 Dazugehörige Energie 662 kev ROI Int 6019 Energie Cs kev Kanalnummer Peak 524 ROI Net 630 Dazugehörige Energie 1434 kev ROI Int 1097 Energie K kev Peaks von Cäsium-137 und Kalium-40 in einer Kuhmilchprobe aus dem Jahr

10 ii) Mögliche Strahlenbelastung durch den Verzehr dieser Probe Um die Strahlenbelastung festzustellen, nehmen wir an, dass genau wie beim Kalium nur ein Promille der Aktivität tatsächlich vom Detektor registriert wird und die Probe eine Woche lang in unserem Körper verbleibt. E= keV keV =0,6 J Aq= E 75kg =8,1nSv im vergleich die natürliche Strahlenbelastung in einer Woche: Aq=46 Sv Die Strahlenbelastung durch das Milchpulver ist also inzwischen erstaunlich gering. (8) Messung eines Thoriummetalls Im folgenden wird eine Probe eines Thoriummetalls auf die Aktivität der Elemente aus der Thoriumreihe untersucht und es wird der Versuch unternommen diese anhand ihrer typischen Energielinien zu identifizieren. Dazu haben wir das Metall 10 Minuten in den Detektor gestellt. Thoriumreihe mit typischen Kennlinien 10

11 Thorium Kanalnummer Peak 35 ROI Net Dazugehörige Energie 54,7 kev (zusammen mit Kanal 42) Nicht zuordnungsbar wahrscheinlich Compton-Effekt Kanalnummer Peak 41 ROI Net Dazugehörige Energie 71,62 kev (zusammen mit Kanal 35) Nicht zuordnungsbar wahrscheinlich Compton-Effekt Kanalnummer Peak 97 ROI Net Dazugehörige Energie 230 kev Energie Pb kev Energie Ra kev Kanalnummer Peak 134 ROI Net 6357 Dazugehörige Energie 334 kev Energie Ac kev (Gammaquant 3) Kanalnummer Peak 224 ROI Net Dazugehörige Energie 588 kev Energie Tl kev (Gammaquant 2) Kanalnummer Peak 346 ROI Net Dazugehörige Energie 930 kev Energie Ac kev (Gammaquant 2) Energie Ac kev (Gammaquant 1) Kanalnummer Peak 893 ROI Net 4947 Dazugehörige Energie 2473 kev Energie Tl kev (Gammaquant 1) Identifiziert wurden also alle 3 Kennlinien des Actinium-228, die Kennlinie des Radium- 224, die Kennlinie des Blei-212, und zwei der vier Kennlinien des Tellur-208. Aus der Thoriumreihen nicht identifiziert werden konnte das Thorium selbst (allerdings sind hierfür auch keine Werte in der Versuchsbeschreibung angegeben), das Bismut-212 und zwei Kennlinien des Tellur-208. Die beiden mysteriösen ersten Peaks stammen wahrscheinlich vom Compton-Effekt. 11

12 (9) Messung des Urans Ebenfalls wie das Thorium in der vorangegangenen Messung wird nun auch eine Uranprobe auf Uran und ihre Tochternuklide untersucht. Auch diese Probe wurde von uns 10 Minuten lang vermessen. Uran Kanalnummer Peak 43 ROI Net Dazugehörige Energie 76 kev Energie Th (Gammaquant 1) Kanalnummer Peak 77 ROI Net 4798 Dazugehörige Energie 173 kev Energie Ra kev Kanalnummer Peak 286 ROI Net 1582 Dazugehörige Energie 764 kev Energie Pa kev (Gammaquant 2) Kanalnummer Peak 370 ROI Net 1632 Dazugehörige Energie 999 kev Energie Pa kev (Gammaquant 3) Interessanterweise konnte in dieser Probe vor allem Protactinium gut identfiziert werden obwohl es eigentlich zu einem relativ geringen Prozentsatz i Uran vorkommen sollte. Daneben konnt noch Radon und eine Kennlinie des Thoriums identfiziert werden. Unentdeckt blieben dagegen Uran, Blei und Bismut. 12

13 (10) Untersuchung einer Uhr mit selbstleuchtenden Zifferblättern Früher wurden vor allem Uhren gerne mit Ziffernblättern und Zeigern versehen auf denen eine selbstleuchtende Folie aufgetragen war. Hierbei handelte es sich meist um eine starke radioaktive Strahlungsquelle. Heute ist man aus gutem Grund dazu übergegangen andere chemische Substanzen zu verwenden die man nicht zu radioaktiven Sondermüll zählen muß. Eine kleine Anekdote am Rande: Unser Physik-Lehrer in der 10. Klasse wollte uns mit den Schulpräparaten einen Geiger-Müller-Zähler vorführen, allerdings waren die Schulpräparate schon fast vollständig zu Blei zerfallen und daher nur noch schwach Radioaktiv. Der Ausschlag des Geiger-Müller-Zählers war also nicht sehr spektakulär. Als der Lehrer dagegen sein Uhr vor das Geiger-Müller-Zählrohr brachte ging dieses ab wie Sau. Nun dann schauen wir mal was für Substanzen wir im zu untersuchenden Wecker so finden... Der radioaktive Wecker Kanalnummer Peak 36 ROI Net Dazugehörige Energie 57,5 Energie Am ,5 Kanalnummer Peak 78 ROI Net 4589 Dazugehörige Energie 175 kev Energie Ra kev Kanalnummer Peak 99 ROI Net 4352 Dazugehörige Energie 235 kev Energie Ra kev Energie Pb kev Kanalnummer Peak 118 ROI Net Dazugehörige Energie 290 kev Energie Pb kev (Gammaquant 2) Kanalnummer Peak 140 ROI Net Dazugehörige Energie 350 kev Energie Pb kev (Gammaquant 1) Kanalnummer Peak 233 ROI Net Dazugehörige Energie 612 kev Energie Bi kev (Gammaquant 1) Kanalnummer Peak 410 ROI Net 2586 Dazugehörige Energie 1112 kev Energie Bi kev (Gammaquant 3) Kanalnummer Peak 622 ROI Net 2708 Dazugehörige Energie 1710 kev Energie Bi kev (Gammaquant 2) 13

14 Der strahlende Wecker Die Elemente Blei-214 und Bismut-214 konnten eindeutig Identifiziert werden. Daneben scheint der Wecker noch Americium-241 und Radium-226 zu enthalten. Außerdem hat er wahrscheinlich noch ein weiteres radioaktives Radon oder Blei-Isotop in seinem Ziffernblatt. Laut Literaturhinweisen wurde wohl vor allem Radium hergenommen um solche selbstleuchtenden Ziffernblätter herzustellen. Da verwundert es nicht, dass wir Radium-226 und seine beiden Zerfallsprodukte Blei-214 und Bismut-214 nachweisen konnten. Noch eine kleine Anekdote: Heutzutage werden bei militärischen Uhren als Leuchtmittel Kapseln mit Tritium (radioaktiver Wasserstoff) hergenommen. Dieser Betastrahler sendet Elektronen mit ungefähr der selben kinetischen Energie wie in einer Kathodenstrahlröhre aus (->Fernseher) und regt dann eine leuchtende Schicht an, genau so wie beim Fernseher. Ich hatte selbst mal so ein leuchtendes Tritiumpräparat als Schlüsselanhänger, leider ist es mir aber inzwischen kaputt gegangen. (11) Messung der Höhenstrahlung i) Messung Um die sehr energiereiche Höhenstrahlung zu messen (Teilchen mit ca. 1 GeV, verlieren bei durchlaufen des Detektors ungefähr 40 MeV) wird der Photomultiplier auf eine sehr viel niedrigere Spannung eingestellt. Dazu wird die bereits für die vorherige Eichung verwendete Kobalt-Probe verwendet um den größten Peak dieser Strahlungsquelle ungefähr auf Kanal 27 zu legen. Dies war bei uns bei ungefähr 58V der Fall. Leider war es uns nicht möglich eine präzise Eichmessung mit dem Kobalt durchzuführen da der Detektor bei dieser Spannungseinstellung einfach nicht genau genug auflösen kann. Laut Anleitung liegt nun aber bei Kanal 1000 eine Energiestufe von ca. 50 MeV an. Außerdem ist in diesem Bereich nicht mehr anzunehmen dass bei der Meßapparatur linear Kanal zu Energie zuzuordnen ist. Da wir aber uns nicht besser behelfen nehmen wir zu Berechnung der Eichskala die 1333 kev Linie von Kobalt auf Kanal 27 und die 50 Mev die angeblich auf Kanal 1000 liegen. Daher bekommen wir folgende Beziehung: E=50 Kanal kev Kanalnummer 14

15 Die Messung brachte uns für die Höhenstrahlung folgende Ergebnisse, wobei die Kanäle 1-99 nicht ausgewertet werden da dort niederenergetische Gammastrahlung anzutreffen ist, die schon in Kapitel 4 ausgwertet wurde. Die Messung dauerte 10 Minuten und wurde ohne Bleiabschirmung durchgeführt. Höhenstrahlung Kanalnummer Mittlere Energie in MeV Zählrate Gesamtenergie in MeV , , , , , , , , , , , , , , , , , Gesamt 20589,5 Höhenstrahlung ii) Berechnung der jährlichen Dosis durch Höhenstrahlung Der Detektor erhält also in 10 Minuten eine Energie von 20,6 GeV. Mit der Methode aus Kapitel 4 bestimmen wir nun die Strahlenbelastung durch die Höhenstrahlung: E 1 kg in 1a = E Gesamt =0, ev =0,13 mj 1,26 kg Aq=E Q =0,13 msv Die Höhenstrahlung macht also tatsächlich einen gewissen Teil der jährlichen Strahlenbelastung aus und ist bei der Benutzung von Flugzeugen sicherlich nicht unerheblich. 15