13 Radioaktivität. I in na. Der Ionisationsstrom ist ein Maß für die pro Sekunde erzeugte Ladung Q und damit für die Aktivität des Präparats.

Transkript

1 13 Radioaktivität 13.1 Historisches Röntgen, Becquerel, Curie 13.2 Nachweismethoden Einführungsversuch: Die rad. Strahlung ionisiert die Luft und entlädt ein aufgeladenes Elektroskop a) Ionisationskammer Um die erzeugten Ionen messen zu können, verwendet man eine Büchse als Kondensator und legt eine Saugspannung an. Das heißt dann Ionisationskammer. Der Versuchsaufbau: I in na Isolator na V 300 U in V Der Ionisationsstrom ist ein Maß für die pro Sekunde erzeugte Ladung Q und damit für die Aktivität des Präparats. b) Geiger Zähler Hans Geiger und sein Mitarbeiter Hans Müller - beide Mitarbeiter von Rutherford entwickelten die Ionisationskammer weiter zum Geiger-Müller-Zählrohr. sehr dünnes Glimmer fenster Rad. Strahlung Metall oder metallisiertes Glas Edelgas 0,1 bar Draht Isolator Die einfallende radioaktive Strahlung ionisiert das Gas. Die ausgeschlagenen Elektronen werden zum Draht hin beschleunigt und erzeugen damit einen Stromstoß. Dieser bewirkt am Widerstand einen Spannungsstoß, der im Lautsprecher ein Knacken erzeugt. Die Spannung bricht im Zählrohr zusammen und die Stoßionisation kommt dadurch zum Erliegen (Totzeit ca 200 µs ). 300 V

2 Strom Spannungskennlinie: I A P J U Je nach angelegter Spannung unterscheidet man 3 Betriebsbereiche: Jonisationskammerbereich: Die durch radioaktive Strahlung erzeugten Elektronen werden vom pos. Draht abgesaugt. Die pos. Ionen werden wegen ihrer Trägheit nicht berücksichtigt. Bei zunehmender Spannung sind irgendwann alle abgesaugt und es entsteht ein Plateau. Proportionalbereich: Jedes durch radioaktive Strahlung erzeugte Elektron löst infolge hoher Spannung durch Stoßionisation Sekundärelektronen aus. Der Ionisationsstrom ist zur Zahl der einfallenden Teilchen proportional. Strahlung kann nach ihrem Ionisationsvermögen unterschieden werden. Die Ionisation ist jedoch immer noch lokal begrenzt. Auslösebereich: Bei noch höherer Spannung entsteht in der Ionenlawine Licht, welches über den Photoeffekt zusätzlich im gesamten Rohr Elektronen auslöst. In diesem Bereich bewirkt jedes Teilchen ein Knacksen im Lautsprecher. Bei sehr Spannung wird das Rohr zerstört. c) Nebelkammer nach Wilson Rutherford: Das originellste und wunderbarste Instrument der Wissenschaft. Ein Wasser-Spiritus-Luft Gemisch im Deckel des Zylinders verdampft und kondensiert am Boden des Gefäßes, der von einem Peltier Element auf 35 C gekühlt wird. Es entsteht ein übersättigter Dampf, der bevorzugt an Ionen entlang der radioaktiven Strahlung kondensiert. d) Szintillationszähler Radioaktive Strahlung ruft in Stoffen wie ZnS oder NaJ Lichtblitze hervor. Diese werden normalerweise mit Hilfe eines Photomultipliers verstärkt.

3 NaJ D D Lichtleiter K A Vorteil: sehr flink ( Faktor 10 gegenüber Zählrohr) Die Natur der radioaktiven Strahlung; Trinität a) Reichweite und Abschirmung der rad. Strahlung Ein Teil der Strahlung wird durch ein Blatt Papier bereits abgehalten und hat in Luft eine Reichweite von ca. 3 cm ( siehe Nebelkammer). Rutherford nannte sie α - Strahlung. Ein Teil wird erst durch ein Buch oder dünne Bleiplättchen absorbiert. R. nannte sie β - Strahlung. Becquerel antdeckte als 3 Komponente die γ - Strahlung. Sie wird durch dicke Bleischichten oder durch eine Bibliothek abgehalten. b) Rad. Strahlung im Magnetfeld Dazu hat M. Curie bereits 1902 folgende Skizze veröffentlicht: Ra a) Die Ablenkung der α- Strahlen kann im Schulversuch schlecht gezeigt werden. Es handelt sich um positiv geladene Teilchen mit einheitlicher Energie ( diskretes Energiespektrum ). b) Die Ablenkung der β - Strahlung kann folgendermaßen gezeigt werden: N Ra S Zählrohr

4 Mit Hilfe eines Geschwindigkeitsfilters kann man aus dem Krümmungsradius e/m bestimmen. Kaufmann und Bucherer ( 2, Semester) fanden jedoch keinen einheitlichen Wert. Erst ein relativistischer Ansatz brachte Klärung: β - Strahlen sind schnelle relativistische Elektronen. Die unterschiedlichen Krümmungssradien sind bedingt durch ein kontinuierliches Geschwindigkeits- bzw.. Energiespektrum. c) γ - Strahlung erfährt in elektromagnetischen Feldern keine Ablenkung. c) Identifizierung der Teilchenart -Strahlung: Relativistische Elektronen! Die Energie beträgt 1 MeV (!), weit mehr als die Ionisationsenergie 50 kv. Die b-elektronen stammen aus dem Kern! Ein Neutron des Kerns wird in ein Proton und ein β -Elektron umgewandelt, d.h. A bleibt gleich und Z erhöht sich um 1. Bsp.: Pb Bi + 0 1e+ν Woher kommt die Energie? Warum ist sie nicht konstant? Man muss annehmen, dass die max. Energie des β-spektrums der Energiedifferenz zwischen Mutter- und Tochterkern entspricht - diese wäre jedoch diskret. Ein weiteres Teilchen kommt ins Spiel: das Antineutrino bzw. Neutrino (von Pauli vorgeschlagen und von Enrico Fermi so bezeichnet). Die unterschiedliche Restenergie wird durch dieses kleine neutrale Teilchen abgeführt. Impulserhaltung: Das Neutrino rettete auch den Impulserhaltungssatz. Ohne Neutrino müssten Kern und β - Teilchen geradlinig auseinanderfliegen; dies ist nicht der Fall. p p K p K p p =0 p Bei Protonenüberschuß (oberhalb der Stabilitätslinie in der Nuklidkarte ) tritt auch der β + - Zerfall auf. Ein Proton wandelt sich in ein Neutron um, unter Aussendung eines Positrons und eines Neutrinos P 30 14Si e+ν Im Potenzialtopfmodell lässt sich der β Zerfall folgendermaßen deuten: Durch Betastrahlung wandeln sich so lange Protonen in Neutronen um oder umgekehrt, bis die

5 Niveaus der Protonen und der Neutronen zu der gleichen Energie aufgefüllt sind. Diese Energie wird als Fermienergie bezeichnet. Die Kerne sind dann stabil. α -Strahlung: Schon Rutherford identifizierte die α -Strahlung als He ++ -Ionen. Beim α -Zerfall specken die Kerne ab und werden stabiler! Bsp: Ra Rn 4 + 2He Zwei Protonen und zwei Neutronen bilden ein α Teilchen, das unter Nutzung des Tunneleffekts den Atomkern verlässt. Eine Erklärung dafür, dass schwere Kerne keine einzelnen Nukleonen, sondern α Teilchen aussenden, geben die energetischen Verhältnisse wieder. In einem schweren Kern liegt die mittlere Bindungsenergie je Nukleon im obersten Energieniveau bei etwa 6 MeV, in einem α Teilchen bei etwa 7 MeV. Vereinigen sich zwei Protonen und zwei Neutronen eines schweren Kerns zu einem α Teilchen, so liegt das α Teilchen energetisch über dem Nullniveau des Potezialtopfs und kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit den Potenzialwall durchtunneln, so wie es in der Skizze oben anschaulich dargestellt ist. Die Energie des α Teilchens liegt in der Größenordnung von 2 bis 5 MeV. Die Energiewerte sind diskret und für die Energieniveaus des betreffenden Atomkerns charakteristisch. γ-strahlung Sehr harte em-strahlung in einer Größenordnung von 1 MeV ( Hz). Auch Kerne haben verschiedene Energiezustände. Beim Übergang wird γ -Strahlung emittiert. A und Z ändern sich nicht. Nach einem α oder β Zerfall befinden sich die Kerne zunächst haufig in einem angeregten Zustand. Der Übergang in den Grundzustand findet dann unter Abstrahlung eines γ Quants statt. Bsp.: Ra 222 Rn 86 Die γ Strahlung ist diskret und für das jeweilige Nuklid charakteristisch. Dies nutzt man bei der γ Spektroskopie aus. Sie ist eine wichtige Methode zur Untersuchung radioaktiver Substanzen, beispielsweise radioaktiver Verunreinigungen. γ Strahlung ist sehr schwach ionisierend und deshalb in der Nebelkammer nur indirekt durch Photo- oder Comptonelektronen beobachtbar. Zur Detektion eignet sich ein Szintillationszähler oder ein Geigerzähler. Das Bragg-Verfahren ist ungeeignet.