Protokoll. Versuch Nr. XVI: Messen mit ionisierender Strahlung. Gruppe 18:

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1 Protokoll Versuch Nr. XVI: Messen mit ionisierender Strahlung Gruppe 18: Tuncer Canbek Sahin Hatap Ilhami Karatas Valentin Tsiguelnic Versuchsdatum: 30.Mai 2000

2 Einleitung Als Radioaktivität bezeichnet man die Eigenschaft von Nukliden sich ohne äußere Einflüsse in andere Nuklide umzuwandeln. Bei dieser Umwandlung wird Strahlung ausgesandt; dieser Prozeß wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Es gibt mehrere Arten von radioaktiven Zerfallsprozessen. Die wichtigsten sind die α-, β- und die γ-strahlung. α-strahlung: Bei radioaktivem Zerfall von Atomkernen ausgesandte Heliumkerne werden als α-teilchen bezeichnet. α-strahlen haben eine sehr geringe Reichweite und können sehr leicht abgeschirmt werden. β-strahlung: Bei β-zerfall wird aus dem Kern eines Radionuklids ein Elektron ausgesandt. Das Elektron stammt nicht aus der Atomhülle, es entsteht, wenn sich im Kern ein Neutron in ein Proton und ein Elektron umwandelt. β-strahlen haben eine relativ geringe, jedoch nicht einheitliche Reichweite und können mit relativ geringem Aufwand abgeschirmt werden. γ-strahlung: Anders als bei α- und β-strahlung, bei denen es sich um Korpuskularstrahlen handelt, sind γ-strahlen energiereiche elektromagnetische Strahlen. Sie wird bei Kernumwandlungen in einzelnen Portionen in Form von γ-quanten abgegeben. Die Reichweite von γ-strahlung ist sehr groß und die Abschirmung ist sehr aufwendig. Radioaktive Strahlung hat sowohl natürliche als auch künstliche Quellen. In der Natur kommt sie z.b. vor in Form von kosmischer Strahlung, in Gesteinen (vor allem vulkanischem Gestein) und im Trinkwasser. Künstliche Quellen sind z.b. durch den Strahleneinsatz in Medizin und Technik, durch Kernkraftwerke und den Fallout von Kernwaffentest und nach Tschernobyl.

3 Gefahren für den Menschen: α-, β- und γ-strahlen haben, bedingt durch ihre Reichweite, Abschirmbarkeit und unterschiedlichen Energien, unterschiedliche Wirkungen auf den menschlichen Organismus. Dabei spielt die Form des Kontaktes mit der radioaktiven Strahlung eine entscheidende Rolle. Hierbei wird in drei Klassen eingeteilt: Äußere Einwirkung Kontamination (Direkter Kontakt mit der Haut) Inkorporation ( Einverleibung, z.b. durch einatmen oder Aufnahme mit der Nahrung) Geht man davon aus, daß bei γ-strahlen die Art des Kontaktes keinen Einfluss auf die Wirkung hat, dann kann man die Wirkung von α- und β-strahlen dazu folgendermaßen in Relation stellen: Kontaktart : Äußere Einwirkung Kontamination Inkorporation Relative Schadigung α β β γ γ γ β α α Man sieht also, daß die Inkorporation von α-strahlen die größte Gefahr für den Menschen darstellt, wohingegen bei äußerer Einwirkung die geringste Gefahr besteht. Bei den Maßnahmen um die Strahlenbelastung für den Menschen so gering wie möglich zu halten, gibt es drei Faktoren: Abstand Abschirmung Kurze Expositionszeit Versuchsaufbau Es gab zwei Versuche deren Aufbau verschieden ist. Totzeit Bestimmung Ermitteln des Abstandsgesetz

4 Zum ersten Versuch: Das zu messende radioaktive Präparat (Americium;Am-241) ist in einen nach außen hin durch Blei abgeschirmten Messzylinder einzulegen. Nach oben ist sie nach Bedarf mit dem entsprechendem Material zu filtern. Das Zählrohr wird von oben eingeführt. Die vom Zählrohr gemessenen Daten werden mit einem Kernstrahlungsmessgerät erfasst und ausgewertet. Zum zweiten Versuch: Hier wird das Handmessgerät mit einem Zählrohr auf einem Stativspanner eingespannt, wobei natürlich auch das Präparat (Sr-90) eingespannt wird. Versuchsdurchführung Zum Ermitteln der Totzeit werden an dem ersten Versuchsaufbau vier Messungen von je fünf mal 0.2 min durchgeführt. Bei der ersten Messung wird ohne Filterung der Strahlen die Impulsrate gemessen. Bei der zweiten und dritten Messung wird das Präparat jeweils zur Hälfte mit einem Stück Papier bedeckt, so daß die α-strahlen zur Hälfte gefiltert werden. Zuletzt wird das Präparat ganz mit Papier bedeckt und somit die gesamte α-strahlung gefiltert. Somit hat man die Werte, die man braucht um die Totzeit zu bestimmen. Beim zweiten Versuch benutzen wir den Stativhalter, um das Handmessgerät oder das Präparat in die gewünschte Lage zu bringen. Hier werden neun Messungen von je fünf mal 15sek.durchgeführt, wobei die neun Messungen jeweils in einem zunehmenden Abstand vom Zählrohr ermittelt werden. Es musste noch bei beiden Versuchen vor der Messung den Nulleffekt bestimmt werden. Das bedeutet, daß man vor der Messung einfach die Strahlungen in der Umgebung ermittelt. Dazu werden fünf Messungen von je 0,2min durchgeführt. Totzeit Nulleffekt Messwerte: t = 12s

5 I mes I/s Messung 1 1 0,083 Messung 2 1 0,083 Messung Messung 4 2 0,166 Messung 5 1 0,083 Messung Messung Messung Messung Messung Mittelwert I 0,0416 Fehler der Einzelmessung σ 0,0589 Fehler des Mittelwertes s 0,0186 Es wurde I null = 0,0416 ± 0,0186 s -1 gemessen. Dieser vernachlässigbare Wert ist dadurch zu erklären, dass die Messung in einem Bleizylinder stattfindet, wodurch natürliche Quellen abgeschirmt werden. Messung der Intensität (t = 12s) I mess I/s I mess I/s I mess I/s I mess I/s , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,08 Mittelwert 246,35 109,27 115,35 1,1667 Fehler σ 8,7402 4,5808 2,3632 0,2635 Fehler s 3,9087 2,0486 1,0568 0,1178 Grafische Auswertung der Messergebnisse, einschließlich Fehlerbalken:

6 Intensität offene Scheibe obere Grenze mittelwert untere Grenze Intensität links verdeckt obere Grenze Mittelwert untere Grenze

7 Intensität rechts verdeckt obere Grenze Mittelwert untere Grenze ,8 1,6 1,4 Intensität 1,2 1 0,8 verdeckt obere Grenze Mittelwert untere Grenze 0,6 0,4 0,2 0 Man sieht, dass einige Punkte gar nicht im zulässigen Bereich liegen. Das ist eventuelle Messungenauigkeiten zurückzuführen.

8 Gleichung für die Ermittlung der Totzeit: Z = I / ( 1 T I ) (1) (Zα + Zß + Zγ) = (1/2 Zα + Zß + Zγ) + (1/2 Zα + Zß + Zγ) - (Zß + Zγ) (2) (2) in (1) liefert folgende Beziehung: I1 / ( 1 T I1 ) - I2 / ( 1 T I2 ) I3 / ( 1 T I3 ) + I4 / ( 1 T I4 ) = 0 (3) mit I1 = Iα+ß+γ ; I2 = I1/2α+ß+γ,links ; I3 = I1/2α+ß+γ,rechts ; I4 = Iα+ß Diese Gleichung betrachten wir als eine Funktion f(t). Wir suchen solche T s, bei dennen f(t) = 0 Folgendes Diagramm liefert uns Ergebnis: Das Ergebnis kann auch rechnerisch nachgeprüft werden: Gleichung (3) lässt sich in eine quadratische Gleichung umformen: T² (I1I3I4 - I2I3I4 + I1I2I4 - I1I2I3) + T (2I2I3 2I1I4) + (I1 I2 + I4 I3) = 0 Mit der Lösungen T1 = -0,00886s und T2 = 0,000801s Jetzt können wir wirklich Zahl der austretenden Teilchen berechnen: Zges = I1 / ( 1 T I1 ) 307

9 Abstandsgestz: Theoretische maximale Reichweite der ß-Starhler: Rmax = ( 0,542 Emax 0,133 ) / ρluft 140,46cm Mit Emax = 0,546MeV und ρluft = 0,00116 g/cm³ Messwerte Nulleffekt: t = 15s I mes Messung 1 3 0,20 Messung 2 5 0,33 Messung 3 4 0,26 Messung 4 3 0,20 Messung 5 3 0,20 Mittelwert I 0,24 Fehler der Einzelmessung σ 0,0596 Fehler des Mittelwertes s 0,0266 I/s Abstandsgesetz: [cm] I I/s I I/s I I/s I I/s I I/s I I/s I I/s I I/s I I/s ,7 42 2,8 31 2,1 20 1,3 12 0,8 12 0,8 9 0,6 9 0, ,5 28 1,9 15 1,0 11 0,7 11 0,7 9 0,6 12 0, ,4 45 3,0 22 1,5 24 1,6 11 0,7 13 0,9 10 0,7 9 0, ,1 41 2,7 24 1,6 13 0,9 15 1,0 9 0,6 9 0,6 10 0, ,7 43 2,9 33 2,2 20 1,3 15 1,0 8 0,5 14 0,9 10 0,8 Mittl ,7 2,97 1,84 1,23 0,85 0,71 0,68 0,67 F σ 23,6 0,73 0,21 0,22 0,21 0,1 0,1 0,1 0,06 F s 7,88 0,24 0,07 0,07 0,07 0,03 0,03 0,03 0,02 Grafische Auswertung:

10 log I (Intensität) ,1 r (Entfernung) Anhand dieses Diagramm lässt sich folgende Gesetzmäßigkeit herleiten: I = 1229 / r² I(rmax= 140cm) = 0,06 Das Ergebnis zeigt, dass auch im Abstand von 140 cm von dem Strahler Radioaktivität gemessen wird, die etwas höher, als Nulleffekt ist. Das lässt sich dadurch erklären, dass die Messung nicht 100% genau verlief. Es ist aber zu berücksichtigen, dass Nulleffekt an verschiedenen Orten ungleiche Werte annimmt.