iradioactivity. Untersuchung ionisierender Strahlung mit Smartphone & Tablet-PC aus fachlicher und fachdidaktischer Sicht

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1 Naturwissenschaft Jan Frübis iradioactivity. Untersuchung ionisierender Strahlung mit Smartphone & Tablet-PC aus fachlicher und fachdidaktischer Sicht Masterarbeit

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3 iradioactivity: Untersuchung ionisierender Strahlung mit Smartphone und Tablet-PC aus fachlicher und fachdidaktischer Sicht iradioactivity: Studies to ionizing radiation with smartphone and tablet computer from a technical and didactical perspective Masterarbeit zur Erlangung des akademischen Grades Master of Education (M. Ed.) im Studiengang Lehramt für Physik und Mathematik an Gymnasien Verfasser: Jan Frübis Kaiserslautern, 14. August 2013

4 i Ehrenwörtliche Erklärung Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Masterarbeit selbstständig und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Quellen und Hilfsmittel angefertigt habe. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher noch ähnlicher Form bei einem anderen Prüfer als Prüfungsleistung eingereicht. Datum: Unterschrift:

5 ii Danksagung Ich danke den Herren Alexander Molz, Dr. Sebastian Gröber und Prof. Dr. Jochen Kuhn für die umfangreiche Betreuung meiner Arbeit, die zahlreichen Anregungen und das große Interesse an meinen Fortschritten. Ich bedanke mich außerdem bei all meinen Freunden, die mit mir ihre Ansichten über meine Ergebnisse geteilt haben und mir mit zahlreichen Anregungen und Verbesserungsvorschlägen eine große und wertvolle Hilfe waren. Zum Schluss geht mein größter Dank an meine Eltern Hannelore und Harald Frübis für all ihre Unterstützung. Ohne ihre unvergleichliche Fürsorge und Verlässlichkeit wäre mein Studium, so wie ich es genießen durfte, nicht möglich gewesen.

6 Inhaltsverzeichnis iii Inhaltsverzeichnis Ehrenwörtliche Erklärung... i Danksagung... ii Inhaltsverzeichnis... iii Abbildungsverzeichnis... vi Diagrammverzeichnis... ix Tabellenverzeichnis... xii Abkürzungsverzeichnis... xv Symbolverzeichnis... xvi 1 Einleitung Fachdidaktischer Rahmen Fachwissenschaftliche Grundlagen Radioaktive Umwandlung Zerfall Umwandlung Übergang Zerfalls- und Abstandsgesetz Wechselwirkung in Materie Strahlung Strahlung Nachweisprinzipien Gaszählrohre Halbleiterdetektoren Kamerasensoren Statistische Grundlagen Totzeit Totzeitmodelle Methoden zur Totzeitbestimmung Messinstrumente und Applikationen RadioactivityCounter auf dem Samsung Galaxy Tab und dem Samsung Galaxy S III Bedienelemente der Applikation Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges RadioactivityCounter auf dem ipod Touch 4G... 51

7 iv Inhaltsverzeichnis Bedienelemente der Applikation Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges Pocket Geiger pro unter Apple ios Hardware und Applikation Anleitung zur Durchführung eines Messvorganges Sensor-CASSY mit Zubehör Gamma-Scout Leybold-Heraeus Halbleiterdetektor mit Zubehör Berthold LB 123 UMo Kriterien zur Beurteilung und Auswahl mobiler Endgeräte als Strahlendetektoren in der Unterrichtspraxis Untersuchung der Rahmenbedingungen Untersuchung der Sensitivitäten Verwendete Präparate Versuchsaufbau und -durchführung Auswertung Fazit und Fehlerbetrachtung Kalibrierung der Applikationen Versuchsaufbau und -durchführung Auswertung Fazit und Fehlerbetrachtung Totzeitbestimmung Zwei-Quellen-Methode Methode der zerfallenden Quelle Fazit und Fehlerbetrachtung Untersuchungen zur Praktikabilität im Physikunterricht Dosisleistungsmessungen Versuchsaufbau und -durchführung Auswertung Fehlerdiskussion Fazit und Tipps Das Abstandsgesetz Versuchsaufbau und -durchführung Auswertung für -Strahlung Auswertung für -Strahlung Auswertung für Uhr mit radioaktivem Ziffernblatt Fehlerdiskussion

8 Inhaltsverzeichnis v Fazit und Tipps Das Schwächungs- bzw. Absorptionsgesetz Schwächung von -Strahlung Absorption von -Strahlung Fehlerdiskussion Fazit und Tipps Ablenkung von -Strahlen Versuchsaufbau und -durchführung Auswertung Fehlerdiskussion Fazit und Tipps Das Zerfallsgesetz Schüttelpräparat Elutions-Isotopengenerator Fehlerdiskussion Fazit und Tipps Zusammenfassung und Ausblick Literatur- und Quellenverzeichnis Anhang... I A1 Tabellarische Auflistung der Messwerte... II A1.1 Sensitivitätsvergleich und Dosisleistungsmessungen... II A1.2 Gerätekalibrierung... III A1.3 Totzeitbestimmung... IV A1.4 Abstandsgesetz... IV A1.5 Schwächungs- und Absorptionsgesetz... VI A1.6 Ablenkung... X A1.7 Zerfallsgesetz... XI

9 vi Abbildungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 2.1: Schwerpunkte des Untersuchungsprozesses im Rahmen des N.E.T.-Projekts an der TU Kaiserslautern... 6 Abbildung 3.1: Schematische Darstellung von -Energiespektren... 9 Abbildung 3.2: Divergentes Strahlenbündel einer Punktquelle Abbildung 3.3: Paralleles Strahlenbündel mit konstanter Querschnittsfläche Abbildung 3.4: Schematische Darstellung des Photoeffekts Abbildung 3.5: Schematische Darstellung des Compton-Effekts Abbildung 3.6: Schematische Darstellung der Paarbildung Abbildung 3.7: Wechselwirkungsbereiche von Photoeffekt, Compton-Effekt und Paarbildung Abbildung 3.8: Schematischer Aufbau eines Proportionalitätszählrohres 25 Abbildung 3.9: Schematischer Aufbau eines p-n-halbleiterdetektors Abbildung 3.10: Schaltskizze einer CMOS-Pixelschaltung Abbildung 3.11: Illustration der beiden Modelle zum Totzeitverhalten a) statistische Ereignisfolge b) registrierte Impulsfolge bei nicht paralysierendem System c) registrierte Impulsfolge bei paralysierendem System Abbildung 3.12: Exemplarische Totzeitbestimmung nach der Methode der zerfallenden Quelle a) nichtparalysierendes Totzeitverhalten b) paralysierendes Totzeitverhalten Abbildung 4.1: Geräteaufnahme Samsung Galaxy Tab (GT-P3100) und Galaxy S III (GT-I9300) Abbildung 4.2: Abdeckung der Kameralinse beim SGT 2 und dem S Abbildung 4.3: Screenshot der RadioactivityCounter Benutzeroberfläche (Android) und des erweiterten Menüs Abbildung 4.4: Screenshot des Settings-Menüs der App RadioactivityCounter (Android) Abbildung 4.5: Screenshot des Menüs zur Gerätekalibrierung Abbildung 4.6: Screenshot des Kalibriermenüs Kalibrierkurve für das S3 mit den vom Entwickler empfohlenen Fixwerten Abbildung 4.7: Apple ipod Touch 4G mit Kameraabdeckung Geräteaufnahme Abbildung 4.8: Screenshot der RadioactivityCounter Benutzeroberfläche (ios) Abbildung 4.9: Screenshot der Log-Datei-Übersicht bei RadioactivityCounter (ios) Abbildung 4.10: Pocket Geiger Typ 3 mit ipod Touch 4G Geräteaufnahme... 55

10 Abbildungsverzeichnis vii Abbildung 4.11: Screenshot der Pocket Geiger Pro Benutzeroberfläche. 56 Abbildung 4.12: Zusammengefügte Screenshots der Anzeigemodi von Pocket Geiger pro Abbildung 4.13: Sensor-CASSY mit GM-Box und Geiger-Müller-Zählrohr Geräteaufnahme Abbildung 4.14: Screenshot der CASSY-Lab 2 Benutzeroberfläche Abbildung 4.15: Gamma-Scout Geräteaufnahme Abbildung 4.16: LHH mit Diskriminator und Digitalzähler Geräteaufnahme Abbildung 4.17: Berthold LB 123 UMo mit Proportionalitätszählrohr LB 1236 Geräteaufnahme Abbildung 5.1: Aufnahme der zu untersuchenden radioaktiven Präparate Abbildung 5.2: Zerfallsschemata von Cs-137 und Sr Abbildung 5.3: Aufnahme einer exemplarischen Zählratenmessung mit dem Pocket Geiger und der Uhr als radioaktives Präparat Abbildung 5.4: Aufnahme des Versuchsaufbaus zur Aufnahme der Dosisleistungen LB Abbildung 5.5: Aufnahme des Versuchsaufbaus zur Aufnahme der Zählraten S Abbildung 5.6: Aufnahme des Versuchsaufbaus der Zwei-Quellen- Methode Abbildung 6.1: Schematischer Versuchsaufbau zum Abstandsgesetz Abbildung 6.2: Aufnahme des Versuchsaufbaus mit ipod und Sr-90- Präparat Abbildung 6.3: Zählratenexplosion (links) und Kameraausfälle (rechts) in den programmeigenen Zeit-Dosisleistung-Balkendiagrammen (ipod Screenshots) Abbildung 6.4: Aufnahme des modifizierten Versuchsaufbaus mit radioaktiver Uhr als Strahlenquelle und Pocket Geiger Abbildung 6.5: Zur Relevanz des Blendensystems bei Versuchen zum Absorptionsverhalten verschiedener Materialien Abbildung 6.6: Schematischer Versuchsaufbau Abbildung 6.7: Aufnahme des Versuchsaufbaus zum Schwächungsgesetz mit Pocket Geiger und Aluminium als Absorbermaterial Abbildung 6.8: Aufnahme des Versuchsaufbaus zum Absorptionsgesetz mit SGT 2 und Aluminiumplättchen als Absorber Abbildung 6.9: Schematischer Versuchsaufbau zur Ablenkung von - Strahlen

11 viii Abbildungsverzeichnis Abbildung 6.10: Scan des auf der Glasplatte eingezeichneten Polarkoordinatensystems mit skizziertem Ursprung außerhalb der Platte in der Mitte des Magnetfeldes Abbildung 6.11: Exemplarischer Versuchsaufbau mit SGT Abbildung 6.12: Prinzipskizze zur Ablenkung von -Teilchen Abbildung 6.13: Ausschnitt des Zerfallsschemas der U-238-Zerfallsreihe Abbildung 6.14: Aufnahme des PHYWE U-238/Pa-234m- Isotopengenerators Abbildung 6.15: Schematische Darstellung der Versuchsdurchführung mit dem Schüttelpräparat Abbildung 6.16: Aufnahme des Versuchsaufbaus zum Zerfallsgesetz mit PHYWE-Schüttelpräparat und Pocket Geiger Abbildung 6.17: Schematische Darstellung Versuchsdurchführung mit dem Elutions-Isotopengenerator Abbildung 6.18: Aufnahme des Versuchsaufbaus zum Zerfallsgesetz mit Amersham-Elutions-Isotopengenerator und Pocket Geiger

12 Diagrammverzeichnis ix Diagrammverzeichnis Diagramm 3.1: Darstellung der gemessenen Rate m als Funktion der wahren Rate n für beide Totzeitmodelle mit verglichen mit einem totzeitfreien Messsystem Diagramm 5.1: Qualitativer Vergleich der gemessenen Zählraten Kaliumchlorid, Kunstdünger und Granit Diagramm 5.2: Qualitativer Vergleich der gemessenen Zählraten Glühstrumpf und Uhr Diagramm 5.3: Qualitativer Vergleich der gemessenen Zählraten Pechblende, Fliese und Cs Diagramm 5.4: Qualitativer Vergleich der gemessenen Zählraten (halblogarithmisch) Sr Diagramm 5.5: Ermittlung der Kalibrierfunktionen (SGT 2) Diagramm 5.6: Ermittlung der Kalibrierfunktionen (S3) Diagramm 5.7: Ermittlung der Kalibrierfunktionen (Pocket Geiger) Diagramm 5.8: Totzeitbestimmung (nichtparalysierend) mit zerfallender Quelle SGT Diagramm 5.9: Totzeitbestimmung (paralysierend) mit zerfallender Quelle SGT 2 und CASSY Diagramm 6.1: Vergleich der angezeigten und berechneten Dosisleistungen verschiedener Geräte Präparat: Kunstdünger Diagramm 6.2: Vergleich der angezeigten und berechneten Dosisleistungen verschiedener Geräte Präparat: Glühstrumpf Diagramm 6.3: Vergleich der angezeigten und berechneten Dosisleistungen verschiedener Geräte Präparat: Pechblende Diagramm 6.4: Vergleich der angezeigten und berechneten Dosisleistungen verschiedener Geräte Präparat: Cs-137 (Schulpräparat) Diagramm 6.5: Qualitativer Dosisleistungsvergleich unterschiedlicher Präparate Direkte Ausgabe der mobilen Endgeräte Diagramm 6.6: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Sr-90-Quelle ipod, SGT 2 und Pocket Geiger Diagramm 6.7: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Sr-90-Quelle S3 und LH Halbleiter Diagramm 6.8: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Sr-90-Quelle Zählrohrdetektoren Diagramm 6.9: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Cs-137-Quelle SGT 2 und Pocket Geiger Diagramm 6.10: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Cs-137-Quelle ipod und S

13 x Diagrammverzeichnis Diagramm 6.11: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit Cs-137-Quelle LB 123, Gamma-Scout und CASSY Diagramm 6.12: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit radioaktiver Uhr Pocket Geiger, LB 123, CASSY und Gamma-Scout Diagramm 6.13: Verifizierung des Abstandsgesetzes mit radioaktiver Uhr Pocket Geiger Diagramm 6.14: Verifizierung des Schwächungsgesetzes und Bestimmung des Schwächungskoeffizienten mit Cs-137-Quelle Aluminium Diagramm 6.15: Verifizierung des Schwächungsgesetzes und Bestimmung des Schwächungskoeffizienten mit Cs-137-Quelle Eisen Diagramm 6.16: Verifizierung des Schwächungsgesetzes und Bestimmung des Schwächungskoeffizienten mit Cs-137-Quelle Blei. 120 Diagramm 6.17: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten für -Abschwächung SGT Diagramm 6.18: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Schwächungskoeffizienten für -Abschwächung Pocket Geiger Diagramm 6.19: Verifizierung des Absorptionsgesetzes und Bestimmung des Absorptionskoeffizienten mit Sr-90-Quelle Papier Diagramm 6.20: Verifizierung des Absorptionsgesetzes und Bestimmung des Absorptionskoeffizienten mit Sr-90-Quelle Pertinax Diagramm 6.21: Verifizierung des Absorptionsgesetzes und Bestimmung des Absorptionskoeffizienten mit Sr-90-Quelle Aluminium Diagramm 6.22: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für -Absorption SGT Diagramm 6.23: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für -Absorption ipod Diagramm 6.24: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für -Absorption Pocket Geiger Diagramm 6.25: Qualitativer Vergleich der Materialabhängigkeit des Absorptionskoeffizienten für -Absorption S Diagramm 6.26: Gemessene Zählraten in Abhängigkeit des Winkels zwischen unabgelenktem Strahlenbündel und Detektorachse bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken CASSY Diagramm 6.27: Gemessene Zählraten in Abhängigkeit des Winkels zwischen unabgelenktem Strahlenbündel und Detektorachse bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken SGT Diagramm 6.28: Gemessene Zählraten in Abhängigkeit des Winkels zwischen unabgelenktem Strahlenbündel und Detektorachse bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken Pocket Geiger

14 Diagrammverzeichnis xi Diagramm 6.29: Gemessene Zählraten in Abhängigkeit des Winkels zwischen unabgelenktem Strahlenbündel und Detektorachse bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken ipod Diagramm 6.30: Darstellung des exponentiellen Zerfalls in Abhängigkeit der Zeit (PHYWE U-238/Pa-234m-Isotopengenerator) CASSY und Pocket Geiger Diagramm 6.31: Darstellung des exponentiellen Zerfalls in Abhängigkeit der Zeit (Amersham Cs/Ba-137m-Isotopengenerator) CASSY, SGT 2, PG pro, S

15 xii Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 3.1: Ungefähre Totzeitwerte der verschiedenen Detektortypen.. 33 Tabelle 4.1: Preisübersicht Leybold-Didactic CASSY-System Tabelle 4.2: Preisübersicht zum Gerätesatz vergleichbarer Geräte Tabelle 4.3: Preisübersicht Berthold LB Tabelle 4.4: Unausgefüllte Version der Kriterienmatrix zur Gerätebeurteilung für jedes Experiment Tabelle 5.1: Komponenten für den Versuchsaufbau zur Gerätekalibrierung Tabelle 5.2: Kalibrierfunktionen für unterschiedliche Dosisleistungsintervalle und Fixwerte zum Kalibriermenü von RadioactivityCounter Tabelle 5.3: Komponenten für den Versuchsaufbau zur Totzeitbestimmung nach der Zwei-Quellen-Methode Tabelle 5.4: Berechnete Totzeiten nach der Zwei-Quellen-Methode Tabelle 5.5: Grafisch ermittelte Werte für Parameter und daraus errechnete Totzeiten nach der Methode der zerfallenden Quelle Tabelle 6.1: Fehlerformeln für berechnete Dosisleistungen (unterschiedliche Bereiche) Tabelle 6.2: Kriterienmatrix zur Dosisleistungsbestimmung Tabelle 6.3: Komponenten für den Versuchsaufbau zum Abstandsgesetz Tabelle 6.4: Kriterienmatrix für die Versuchsteile zum Abstandsgesetz. 113 Tabelle 6.5: Komponenten für den Versuchsaufbau zum Schwächungsgesetz Versuchsteil mit -Strahlung Tabelle 6.6: Ermittelte Schwächungskoeffizienten für Aluminium, Eisen und Blei Tabelle 6.7: Komponenten für den Versuchsaufbau zum Absorptionsgesetz Versuchsteil mit -Strahlung Tabelle 6.8: Maximale Reichweiten der vom Sr-90-Präparat emittierten - Teilchen unterschiedlicher Maximalenergien in verschiedenen Materialien Tabelle 6.9: Ermittelte und theoretische Absorptionskoeffizienten für Papier, Pertinax und Aluminium Tabelle 6.10: Abweichungen der von den mobilen Endgeräten ermittelten Absorptionskoeffizienten von den jeweiligen CASSY-Werten Tabelle 6.11: Kriterienmatrix für die Versuchsteile zum Schwächungs- und Absorptionsgesetz Tabelle 6.12: Komponenten für den Versuchsaufbau zur Ablenkung von - Strahlen