RADIOAKTIVE STRAHLUNG - EXPERIMENTE

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1 Universität Regensburg FAKULTÄT FÜR PHYSIK Arbeitsgruppe Didaktik der Physik RADIOAKTIVE STRAHLUNG - EXPERIMENTE GRUPPE 1: EIGENSCHAFTEN UND UNTERSCHEIDUNG DER STRAHLENARTEN 1.1 Statistisch Schwankung der Häufigkeit von Zählraten Kernzerfälle als statistische Prozesse Messen Sie zehnmal, jeweils eine Minute lang mit dem Flächendetektor Inspektor die Nullrate und stellen Sie die Häufigkeitsverteilung graphisch dar! 1.2 Abschwächung radioaktiver Strahlung Demonstrieren Sie in qualitativen Versuchen, wie man α-, β-, und γ-strahlung durch ihre Reichweite in Luft bzw. durch ihre Abschwächung durch verschiedene Materialien unterscheiden kann! 1.3 Demonstrieren Sie die Ablenkung von β - - und β + und von von α-strahlen im Magnetfeld eines Hufeisenmagneten! Verwenden Sie dazu ein Zählrohr mit kleinem Endfenster und ein Paar von Neodymium-Magneten mit hoher magnetischer Feldstärke und einstellbarem. Sie können auch das starke Magnetfeld zwischen den Polschuhen eines Elektromagneten aus zwei Spulen und hufeisenförmigem Eisenkern verwenden. Wie können die Ergebnisse zur Unterscheidung der verschiedenen Arten radioaktiver Strahlung genutzt werden? GRUPPE 2: RADIOAKTIVER ZERFALL ALS STOFFUMWANDLUNGSPROZESS 2.1 Machen Sie sich anhand der Bedienungsanleitung mit den Möglichkeiten des Geiger-Müller- Zählrohrs Inspektor vertraut und messen Sie die Nullrate! 2.2 Elementumwandlung Die Elementumwandlung ist die fundamentaleigenschaft der Radioaktivität bzw. der chemischen Elemente, die instabil und damit radioaktiv sind. Deshalb ist es ein didaktisches Gebot, die Elementumwandlung im Schulversuch zu demonstrieren oder einen Versuch dazu den Schülerinnen selbst durchführen zu lassen. Der nachfolgende Versuch zeigt gleichzeitig noch, dass die Umgebungsluft, die wir einatmen radioaktive Elemente enthält. Reiben Sie die Philionplatte (von philion = Freund der Ionen) kräftig und stellen Sie sie auf nichtleitenden Kunststoffstäbchen 10 Minuten lang an die Luft. Auf der geladenen Platte werden die Tochterkerne des in der Luft befindlichen radioaktiven Gases Radon effizient gesammelt. Man stellt auf diese Art praktisch ein Radioaktives Präparat her. Messen Sie nun mit dem Inspector (Geiger-Müller Zählrohr mit großem Endfenster) die Strahlung dieser Platte in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge unter den angegebenen Bedingungen jeweils eine Minute lang: Bild aus: Rudolph Geipl: Schul- und Praktikumsversuche mit natürlicher Radioaktivität, Teil 2; Strahlenschutzpraxis 2/ Messung der Nullrate (1 min) 1. Messung der Strahlung der Philionplatte unmittelbar nach dem Sammeln Seite 1 von 6

2 Seite 2 von 6 2. Gleich danach nochmalige Messung mit einem Blatt Papier zwischen Zählrohrfenster und Philionplatte 3. Nach 10 Messung der Strahlung ohne Papier 4. Gleich danach nochmalige Messung mit einem Blatt Papier zwischen Zählrohrfenster und Philionplatte Bereinigen Sie die Messwerte, indem Sie die Nullrate abziehen, tragen Sie die Messergebnisse in eine Tabelle eine und geben Sie eine Deutung! Berücksichtigen Sie dabei den abgebildeten Ausschnitt aus der U 238 Zerfallsreihe und die Tatsache, dass ein Blatt Papier die gesamte Alphastrahlung absorbiert! 2.3 Nachweis der stofflich, materiellen Basis der radioaktiven Strahlung Mit Hilfe der Philion-Platte läßt sich auch die stoffliche, materielle Basis der Radioaktivität demonstrieren. Dazu führt man einen sog. Wischtest durch. Man benötigt nur eine Philion-Platte und ein Läppchen. Zuerst sammelt man mit der Philion-Platte 5 min. radioaktive Nachfolgeprodukte von Radon und misst anschließend die Aktivität der Platte und die des Läppchens mit dem Flächenendfensterzählrohr. Danach wischt man (reibendes Abwischen) die radioaktive Philion-Platte mit dem Läppchen ab und misst wieder die Aktivität der Platte und des Läppchens. Hinweis: Zur Ansammlung der Radonfolgeprodukte siehe die Info unter den Versuchsaufträgen. GRUPPE 3: RADIOAKTIVE STOFFE IN DER NATUR 3.1 Weisen Sie mit Geiger-Müller-Zählrohr Inspektor die Abstrahlung verschiedener Materialien aus der Umwelt und der Technik nach! Gesteine, uranhaltige Erde, Backtriebmittel Pottasche (Kalimkarbonat (K40)), uranglasierte Keramikfliese, Glühstrumpf, Panzerglas. Welche Materialien strahlen nur oder auch α-strahlung ab? 3.2 Radionuklide in der Luft Blasen Sie einen Luftballon auf, reiben Sie ihn kräftig und lassen Sie ihn dann 15 Minuten lang (am besten in einem möglichst lange ungelüfteten (Keller)Raum) frei an der Luft hängen. Lassen Sie anschließend die Luft aus dem Ballon und nutzen Sie das gesamte Endfenster des Inspektor zur Messung der Zahl der Zerfälle pro Minute über einen Zeitraum von ca. 25 min. Notieren Sie die Zählraten! Stellen sie das Ergebnis aus graphisch dar, machen Sie sich über die Tochterprodukte des Radonzerfalls und deren Halbwertszeiten kundig und interpretieren Sie Ihre Messkurve! Mitteilung: Im elektrischen Feld um den Ballon fließen Ionen der Tochterprodukte von in der Luft enthaltenem Radon zum Ballon. Vergleichen Sie dazu auch die Info zum Sammeln von Ionen mit der Philion- Platte oder mit einem auf Hochspannung gesetzten Draht. 3.3 Sammeln von Radonfolgeprodukten aus der Raumluft Glasfaserfilter eignen sich sehr gut zum Sammeln von Radonfolgeprodukten aus der Luft. Dazu verwendet man einen Staubsauger und setzt ein Glasfilter direkt auf die Ansaugöffnung. Eine Sammelzeit von einer Stunde genügt, um ein Flächenpräparat mit Radonfolgeprodukten zu erhalten. Das Filter ist ein β-strahler, der gut für Messungen geeignet ist. Ist der Luftdurchsatz in Litern pro Minute bekannt, kann sogar der Radongehalt verschiedener Räume miteinander verglichen

3 Seite 3 von 6 werden. Über den Filtermechanismus in den Galsfaserfilter vergleichen Sie das Info nach den Experimentieraufgaben. Stellen Sie ein solches Messpräparat her und weisen Sie nach, dass radioaktive Kerne gesammelt wurden! 3.4 Nachweis von Radon im Trinkwasser Zum Nachweis des Radon im Wasser müssen die Folgeprodukte extrahiert und auf ein möglichst kleines Volumen konzentriert werden. Das geschieht, indem man z.b. zwei Liter frisches Leitungswasser durch ein Glasfaserfilter filtriert. Der Filtereinsatz wird anschließend auf einer Herdplatte bei ca. 300 C getrocknet. Wasser würde die Strahlung abschwächen. Auf diese Weise erhält man ein Flächenpräparat mit den Radontöchtern Po, Pb und Bi. Stellen Sie auf die beschriebene Art ein Messpräparat her! Messen Sie anschließend fünfmal nacheinander jeweils 1 min lang die Zahl der Zerfälle. Ziehen Sie von den Messergebnissen die Nullrate ab und berechnen Sie die mittlere Nettozählrate und die Standardabweichung für die Messreihe. Der Inspector hat eine Nachweiswahrscheinlichkeit von ca. ein Drittel der von Radon ausgehenden Strahlung. Berechnen Sie mit diesen Daten die auf das Vorhandensein von Radon zurückzuführende Aktivität von Trinkwasser! Hinweise: Um ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, muss das Wasser frisch aus der Leitung kommen. Es ist daher notwendig, das Wasser, das im Rohrsystem des Hauses längere Zeit gestanden hat, ablaufen zu lassen, bevor die 2 Liter für den Versuch gezapft werden. Das Filtern nimmt ca. 20 min Zeit in Anspruch. GRUPPE 4: ZERFALLSKURVE VON BA Nebenstehend ist das Zerfallsschema von Cs-137 dargestellt. Das Radionuklid zerfällt mit einer Halbwertszeit von 30,1 Jahren in Ba-137. Der Großteil der Tochterkerne befindet sich in einem angeregten Zustand, der mit einer kurzen Halbwertszeit unter Aussendung von Gammastrahlung in den stabilen Grundzustand übergeht. Mit dem in der Sammlung vorhandenen Isotopengenerator kann man mit einer Eluationslösung das Barium ausschwemmen. Lassen Sie sich von Herrn Lohner zeigen, wie man das Barium ausschwemmen und bestimmen Sie die Halbwertszeit von Ba-137 mit Hilfe eines Geiger- Müller-Zählrohres und des Messwerterfassungssystems Cassy!! Bestimmen Sie die Halbwertszeit zuerst graphisch. Nähern Sie dann die Messkurve durch eine geeignete Funktion an und berechnen Sie die Halbwertszeit aus der Abklingkonstante!

4 Seite 4 von Analogieversuch zum radioaktiven Zerfall Der Bierschaumzerfall Flüssiger Bierschaum enthält gasförmige CO2-Bläschen, die von flüssigen Wänden (elastische Hülle) eingeschlossen sind. Oberflächenaktive Substanzen (Tenside) wie Eiweißabbauprodukte und Hopfenbitterstoffe haben geringere Oberflächenspannung und bilden die Hülle. Je nach Glasform, Biersorte und abhängig von vielen anderen Randbedingungen platzen diese Bläschen mehr oder weniger schnell. Obwohl in messungen ein exakt exponentieller Zerfall des Schaums nicht bestätigt werden konnte, wird der Bierschaumzerfall in der Literatur sehr oft als Analogon für den radioaktiven Zerfall verwendet. Messen Sie den Zerfall des Bierschaums von alkoholfreiem Weizenbier und stellen Sie das Ergbnis graphisch dar! 4.3 Modellversuch zum radioaktiven Zerfall Münzen oder Würfel werfen Der radioaktive Zerfall ist ein statistischer Prozess. Dieser Zufallsprozess wird durch das Werfen einer Münze simuliert, deren zwei mögliche Auftreffzustände das Zerfallen oder Nichtzerfallen eines Atoms simulieren. Die Durchführung mit einer Schulklasse kann wie folgt aussehen: Alle Schülerinnen stehen und haben eine Münze in der Hand. Die Anzahl der stehenden Schüler/innenzahl entspricht der Ausgangsmenge N(0) der unzerfallenen radioaktiven Kerne. Nun werden die Münzen geworfen. Alle Schüler/innen, deren Münze Kopf" zeigt, setzen sich. Sie sind zerfallen". Dies entspricht dem ersten Zeitschritt. Der Vorgang wird sooft wiederholt, bis alle Schüler/innen zerfallen" sind. Auswertung: In einem Koordinatensystem werden auf der Rechtswertachse werden die Zerfallsschritte (entspricht der Zerfallszeit t) und auf der Hochwertachse jeweils die Anzahl der nichtzerfallenen Schülerinnen" aufgetragen (entspricht der nichtzerfallenen Teilchenzahl N(t)). Stehen nicht genügend Schüler/innen zur Verfügung, so erhält jede/r Schüler/in z. B. 5 Münzen, die er/sie gleichzeitig wirft. Zerfallene Münzen werden im nächsten Zeitschritt nicht mehr geworfen. Gezählt wird nach jedem Zeitschritt die Zahl der noch vorhandenen, nicht zerfallenen Münzen. Denselben Versuch kann man z. B. mit Würfeln durchführen, wobei dann das Würfeln eine Sechs einen Zerfall bedeuten kann. In diesem Fall simuliert man den Zerfall eines Elements mit Längerer Halbwertszeit. Simulation des β - -Zerfalls von Fluor-20: Rechnerische Behandlung der Halbwertszeit: GRUPPE 5: ABSCHWÄCHUNG VON β-strahlung 5.1 Schätzen Sie für β-strahlung des 85 Kr-Präparatas die Halbwertsdicke für von Pertinax und Plexiglas ab! 5.2 Nehmen Sie für Al eine Abschwächungskurve der β-strahlen des 85 Kr-Präparatas auf (Messung der Zählrate in Abhängigkeit von der durchstrahlten Materialdicke). Zeigen Sie, dass die Schwächungskurve näherungsweise (!) einem Exponentialgesetz gehorcht! GRUPPE 6: ABSCHWÄCHUNG VON γ-strahlen 5.1 Nehmen Sie den in der Sammlung vorhandenen Szintillationszähler in Betrieb. Lassen Sie sich dabei von einem Betreuer oder von Herrn Lohner unterstützen! 5.2 Bestimmen Sie mit Hilfe des Szintillationszählers die Halbwertsdicke von Blei! 5.3 Zeigen Sie in einem quantitativen Versuch, dass der beste Schutz vor γ-strahlung im Abstand halten besteht!

5 Seite 5 von 6 Jnfo zum Sammeln von Tochterprodukten von Radon Diesen Abschnitt könnte man auch überschreiben mit Herstellung radionaktiver Proben. Die Philion-Platte besteht aus dem sehr guten Isolator Polystyrol. Durch Reiben mit Holz kann sie auf V aufgeladen werden. Wird die Platte auf 4 dünnen Stäbchen aus Holz oder Kunststoff aufgestellt, so entsteht ein Kondensator zwischen der Platte und allen Oberflächen in der Umgebung der Platte. Auf einer Unterlage, etwa einem Tisch liegend, sammelt die Platte nichts! Überall der Luft finden sich geringe Konzentrationen des radioaktiven Edelgases Radon. In den Wohnräumen in Deutschland im Mittel 50 Bq/m 3. Ra 222 entsteht durch den Zerfall von Ra 226, das überall im Boden enthalten ist. Als Gas wandert Radon durch Ritzen über den Keller in die Häuser oder wird direkt aus uran- und radiumhaltigen Baustoffen freigesetzt. Selbst im Trinkwasser findet man Radon. Bei Brunnen in Graniten finden sich in frischem Trinkwasser 200 Bq/ m 3 und mehr. Ra 222 zerfällt unter Aussendung eines -Teilchens zu Po 218 und dieses wiederum in einem Alphazerfall mit einer Halbwertszeit von 3 min zu Pb 214. Die neu entstehenden Kerne Po 218 und Pb 214 erhalten beim Zerfall eine Rückstoßenergie von ca. 100keV und verlieren zudem Elektronen. So entstehen elektrisch positiv geladene, radioaktive Ionen, die vom elektrischen Feld der Philion-Platte gesammelt werden. Pb 214 zerfällt mit 27 min Halbwertszeit zu Bi 214 und dieses mit 20 min Halbwertszeit zu Po 214. Nach diesen beiden Beta-Zerfällen folgt in Mikrosekunden der Alphazerfall von Po 214 zu langlebigem Blei. Po 218, Pb 214, Bi 214 und Po 214 werden zu den kurzlebigen Radonzerfallsprodukten gezählt. Statt mit der Philion-Platte kann man die Radontochterkerne auch mit einem 5 10 m langen Kupferdraht, der mit dem Minuspol einer Hochspannungsquelle (30 kv) verbunden ist aufsammeln. Sammlung der Radonfolgeprodukte mit Hilfe eines Staubsaugers Die Sammlung der Radonfolgeprodukte kann auch mit Hilfe eines Staubsaugers erfolgen. Spannt man über dessen Ansaugöffnung einen Glasfaserfilter und saugt ca. 1 Stunde lang Raumluft an, so erhält man eine geeignete Messprobe. In der Luft lagern sich die Radonzerfallsprodukte an kleinste Staubteilchen (sog. Aerosolpartikel mit ca. 1μm Durchmesser an. In Glasfaserfiltern sind Glasfasern von ebenalles etwa 1μm Durchmesser zusammengepresst. Wird nun Luft durch ein Glasfaserfilter gesaugt, hat dieses einen geringen Strömungswiderstand. Dennoch entstehen Turbulenzen im Filter, sodass die Aerosolpartikel zu 99% im Filter gesammelt werden. Damit erhält man auf dem Filter ein Konzentrat der Radionuklide in Form einer dünnen Fläche, was für die Messung von Betastrahlen optimal ist. Das Glasfasern keine Oberflächenfilter, sondern Tiefenfilter sind, erleidet die Alphastrahlung im Filter Selbstabsorption und ist kaum messbar. Nachweis von Radon im Wasser Der Nachweis von Radon im Wasser gelingt, wenn man seine Folgeprodukte extrahiert und auf ein möglichst kleines Volumen konzentriert werden. Das geschieht, indem man z.b. zwei Liter frisches Leitungswasser durch ein Glasfaserfilter MN 85/90 der Firma Macherey-Nagel filtiert ohne eine Wasserstrahlpumpe zu benutzen. Das Polonium, das beim Passieren des Filters an die feinen Glasfasern des Filters angelagert wird, muss Zeit haben eben dies zu tun. Es geht auch nicht mit einem beliebigen Filter (Papier), weil nur die Glasfasern des genannten Typs eine anziehende Wirkung auf das Polonium haben. Als Filtergefäß dient ein Büchnertrichter (Abb. rechts). Der Filtereinsatz wird anschließend auf einer Herdplatte bei ca. 300 C getrocknet. Wasser würde als Abschwächer der Strahlung wirken. Die Radontöchter Po, Pb und Bi lagern sich an den Glasfasern an. Deren Zerfall kann nun am besten mit einem Flächendetektor mit hoher Alpha- und Betaempfindlichkeit (z. B. der Inspektor) sehr gut registrieren. Hinweis: Um ein brauchbares Ergebnis zu erhalten, muss das Wasser frisch aus der Leitung kommen. Es ist daher notwendig, das Wasser, das im Rohrsystem des Hauses längere Zeit gestanden hat, ablaufen zu lassen, bevor die 2 Liter für den Versuch gezapft werden (vorher z.b. Garten gießen) Bei der Messung der Radonbelastung des Trinkwasser in Deutschland hat sich bei 1000 Proben ein Mittlelwert von 5 Bq/l ergeben. Wenn das Wasser aus granithaltigen Regionen kommt, können es schon 10 Bq/l werden. Die Messung ergab jedoch auch Einzelwerte mit über 100 Bq/l. Aber nicht nur Leitungswasser ist belastet. In Radon-

6 Seite 6 von 6 bädern (Bad Kissingen, Sybillenbad bei Neualbenreuth, Bad Brambach...) liegen die Werte zwischen 2000 Bq/l und 4500 Bq/l.

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