11. GV: Radioaktivität

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1 Physik Praktikum I: WS 005/06 Protokoll zum Praktikum Dienstag, GV: Radioaktivität Protokollanten Jörg Mönnich - Anton Friesen - Betreuer R. Kerkhoff

2 Radioaktivität Einleitung Unter Radioaktivität versteht man im allgemeinen Sinne die Eigenschaft instabiler chemischer Elemente, unter Aussendung energiereicher Strahlung, in andere, stabilere Elemente zu zerfallen. Dabei kann ein chemisches Element aus verschiedenen Nukliden, d.h. Atomen mit einer definierten Anzahl von Protonen und Neutronen im Atomkern, bestehen. Diese Nuklide sind charakteristisch für die Eigenschaften der jeweiligen Atomsorte. Diejenigen Nuklide, die sich nur in der Zahl der Neutronen unterscheiden, werden als Isotope bezeichnet. Bei dem radioaktiven Zerfall unterscheidet man drei verschiedene Arten der Zerfallsstrahlung mit den entsprechenden verschiedenen Strahlungsarten, die gemäß der emittierten Teilchen klassifiziert werden: Man unterscheidet in α-, β- und γ-strahlung. Alphastrahlung tritt bevorzugt bei schweren Atomkernen auf und besteht aus positiv geladenen Heliumkernen. Hierbei ändert sich die Massenzahl A um 4 und die Ordnungszahl Z um, wobei ein anderes Element entsteht. Bei natürlichen vorkommenden radioaktiven Elementen wie z.b. Uran entsteht als Zerfallsprodukt Blei. Betastrahlung, wobei man zwischen β - - bzw. β + -Strahlung, die bei Nukliden mit Neutronen- bzw. Protonenüberschuss auftritt, unterscheidet. Für den β - -Zerfall gilt: Hierbei vergrößert sich bei konstanter Massenzahl die Ordnungszahl um eine Einheit. Als Zerfallsprodukte der Betaminus Strahlung werden Elektronen und Antineutrinos emittiert. Für den β + -Zerfall gilt: - 1 -

3 Die Ordnungszahl wird um eine Einheit erhöht, während die Massenzahl gleich bleibt. Als Zerfallsprodukte werden bei Betaplus Strahlung Positronen und Neutrinos emittiert. Gammastrahlung stellt eine energiereiche elektromagnetische Strahlung dar. Bei einem Gammazerfall können die bereits, meist durch vorangegangenen α- und β- Zerfall, angeregten Atomkerne in den Grundzustand zurückfallen. Dabei findet keine Elementumwandlung statt. Die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls wird durch die Halbwertszeit angegeben, die bei den verschiedenen radioaktiven Elementen Bruchteile einer Sekunde bis hin zu Millionen von Jahren betragen kann. Die Halbwertszeit gibt dabei an, nach welcher Zeit die Hälfte des Ausgangsmaterials zerfallen ist. Die Aktivität einer radioaktiven Substanz wird dabei in Becquerel angegeben; sie hat die Radioaktivität von einem Becquerel (Bq), wenn eines ihrer instabilen Atome bei einer Dauer von einer Sekunde zerfällt. Eine weitere Einheit ist das Curie (Ci), nach ihrer Entdeckerin Marie Curie. Ein Ci sind 3, Bq. Zum Nachweis radioaktiver Strahlung werden verschiedene Detektoren, unter anderem der Geiger-Müller Zähler, eingesetzt. Das einfache Modell eines Geiger- Müller-Zählers ist mit einem Gas oder einer Gasmischung bei geringem Druck gefüllt. Die beiden Elektroden sind die dünne, metallische, zylindrisch geformte Rohrwand (Kathode) und ein dünner Wolframdraht (Anode; Zähldraht) entlang der Rohrachse. Zwischen beiden Elektroden wird ein starkes elektrisches Feld aufrechterhalten, das die entstehenden Ionen beschleunigt. Die eintreffenden radioaktiven Strahlen bewirken eine Ionisation des Gases. Die Ionen stoßen mit Gasatomen zusammen (Stoßionisation) und schlagen aus ihnen Elektronen (Sekundärelektronen) heraus. Dadurch bilden sich immer mehr neue Ionen. Die Sekundärelektronen verursachen an dem Zähldraht einen elektronisch verstärkbaren Stromstoß. Erhöht man die Betriebsspannung und somit die Stärke des elektrischen Feldes, wird die so genannte Geigerschwelle überschritten, und die Zahl der erzeugten Sekundärelektronen wächst unabhängig von der Primärionisation nicht proportional an. - -

4 Durchführung In diesem Teil werden die durchgeführten Schritte nur beschrieben. Die genauen Methoden zur Versuchsdurchführung können dem Skript (S ) entnommen werden Versuch A: Aufnahme der Charakteristik des Geiger-Müller-Zählrohrs In diesem Versuch wurde die Charakteristik des Zählrohrs bestimmt. Ein β-strahler wurde im Halter unter dem Zählrohr platziert. Das Messintervall wurde auf eine Minute eingestellt. Nach einer Messung wurde die Zählrohrspannung langsam erhöht (max. 50 V), und eine weitere Messung durchgeführt, bis ein deutlicher Anstieg (>10%) der Zählrate zu vernehmen war. Die Zählrohrcharakteristik ist in Diagramm 1 dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass die Geigerschwelle beim benutzten Zählrohr bei etwa 680 V lag. Genauer ist dieser Wert nicht anzugeben, da man nicht genauer ablesen konnte. Diagramm 1: Charakteristik des Zählrohrs Spannung U (V) Die Steigung N wurde bestimmt, indem zwei Punkte, die im Plateau lagen (840 V / U - 3 -

5 1045 und 100 V / 1351) in y y m = 1 eingesetzt wurden. Die Steigung ist x x 1 demnach 8,55 Zählrate. V Der Arbeitspunkt wurde bei U = 750 V gewählt. Versuch B: Aktivität von α-, β-, und γ-strahlern Die mittlere scheinbare Aktivität der zur Verfügung gestellten Präparate ( 10 Po, 90 Sr und 60 Co) sollte Untersucht werden. Abweichend vom Skript wurde die Aktivität des α-strahlers zwar untersucht, aber die Werte werden nicht aufgeführt und ausgewertet, da die Proben zu alt und von der ermittelten Untergrundzählrate nicht zu unterscheiden waren. Auf dem α-präparat waren eine Aktivität von 0,1 µci, also 3700 Bq und eine Halbwertszeit von 138 Tagen vermerkt. Die Untergrundzählrate N U wurde durch Messung ohne Präparat aus fünf Werten ermittelt, die im Anhang aufgeführt sind. Die ermittelte Zählrate betrug 15 min -1, was 0,5 Bq entspricht. N U ist bei nur sehr schwach strahlenden Präparaten zu berücksichtigen, wenn dadurch eine deutliche Abgrenzung von der Untergrundstrahlung nicht erkennbar ist. Für die Strahler wurden für die anschließende Berechnung der Aktivität nach der Formel 4π R A = ( N N U ) F die Werte R (Abstand zur Probe), F (aktive Zählrohrfläche) und N (gemessene Zählrate) ermittelt. Diese Werte sind in Tabelle 1 dargestellt. Die genannte Formel berücksichtigt den sog. Geometriefaktor, da die Probe in alle Richtungen abstrahlt, die aktive Zählfläche jedoch begrenzt ist. F musste noch berechnet werden, da im Skript nur der aktive Zählrohrdurchmesser d = 3 cm gegeben war. Die Berechnung erfolgte nach π 4 d

6 Tabelle 1: Ermittelte Werte (R und F in cm, N gemittelt (Werte im Anhang)) R F N β-strahler ( 90 Sr) 1,5 7, γ-strahler ( 60 Co) 1,5 7,07 839,33 Aus den Werten ergibt sich damit für den β-strahler ein Wert von 15.80,83 Bq. Dies entspricht 4, Ci. Für den Gammastrahler ergibt sich ein Wert von 3.96,67 Bq. Dies entspricht 8, Ci. Vergleicht man die berechneten Werte mit den auf den Präparaten vorgegebenen Werten (Tabelle ), fällt sofort auf, dass die gemessene Aktivität beim β-strahler weit über der angegebenen Aktivität liegt; beim γ-strahler liegt der Wert deutlich unterhalb. Tabelle : Vergleich der angegebenen und ermittelten Aktivitäten der jeweiligen Präparate (in Bq) Angegebene Aktivität Gemessene Aktivität β-strahler ( 90 Sr) ,83 γ-strahler ( 60 Co) ,67 Es lässt sich hier vermuten, dass die Proben verwechselt wurden. Dieser Vermutung kann jedoch nicht entsprochen werden, da die Proben eindeutig gekennzeichnet waren. Eine schlüssige Erklärung muss hier leider ausbleiben. Versuch C: Strahlungsabsorption In den folgenden Versuchen wurde das Absorptionsverhalten verschiedener Präparate (Blei, Kupfer, PET, Papier und Holz) bei unterschiedlichen Stärken qualitativ ermittelt, wobei das Absorptionsvermögen nach der Durchführung der Versuche als gering, mittel und hoch eingeschätzt werden sollte. Für diesen Versuch wurden ein Beta- und ein Gammastrahler verwendet, da wie in Versuch B bereits beschrieben der Alphastrahler zu schwach radioaktiv war. Hierfür wurden die jeweiligen Präparate nach einander zwischen Zählrohr und den entsprechenden - 5 -

7 Strahler gebracht und die Zählrate ermittelt. Die Ergebnisse sind aus der Tabelle 3 zu entnehmen. Tabelle 3: Verschiedene Absorptionsmedien und die dazu gehörenden Zählraten Strahler Absorptionsmedium Zählrate β β Papier 74 β PET (dünn) 78 β PET (dick) 8 β Blei (0,5 Inches/mg) 1 β Blei (0,06 Inches/mg) 10 γ - 5 γ Papier 36 γ Kupfer (0,5 cm dick) 18 γ PET (dick) 08 γ Holz (6 cm dick) 173 γ Blei (0,06 Inches/mg) 178 γ Blei (0,15 Inches/mg) 159 γ Blei (0,5 Inches/mg) 19 Aus den ermittelten Daten lässt sich erkennen, dass sowohl die Dicke als auch die Dichte des Absorptionsmediums charakteristisch für das Absorptionsverhalten sind. Bei dem β-strahler fällt als erstes auf, dass die beim Absorptionsmedium Papier gemessene Zählerrate, die Zählerrate ohne Medium übersteigt. Das lässt sich damit erklären, dass die Untergrundstrahlung bei jeder Messung variiert und Papier nur ein sehr schwacher Absorber ist. So kann es, bei einer in dem Versuch erhöhten Untergrundstrahlung, zu diesem Ergebnis gekommen sein. Des Weiteren fällt bei den Versuchen mit β-strahlen auf, dass bei Medien gleicher Dichte (s. PET), jedoch unterschiedlicher Dicke ein enormer Unterschied im Absorptionsverhalten vorliegt. Während das dünne PET relativ wenig Strahlung absorbiert (78/741), absorbiert das dicke PET mehr als das 4 fache (8/741). Die Hypothese, dass dicke Medien, im Vergleich zu dünnen Medien, bessere Absorber sind, wird auch in Hinsicht auf die Absorptionsversuche mit dem γ-strahler bestätigt. Wenn man die Zählraten der - 6 -

8 Bleipräparate anschaut, so stellt man fest, dass mit zunehmender Dicke auch die Fähigkeit die Strahlung zu absorbieren zunimmt. Versuch D: Bestimmung der maximalen β-zerfallsenergie Die maximale Zerfallsenergie der vom Präparat emittierten Elektronen sollte in diesem Versuch bestimmt werden. Sie wurde in diesem Fall durch Absorptionsmessungen ermittelt. Die Intensität der Strahlung I nimmt beim Durchdringen einer Schicht der Dicke x näherungsweise mit Ix ( ) = I e µx ab, wobei der Absorptionskoeffizient µ eine Materialkonstante ist. 1 Der zu benutzende β-strahler ( 90 Sr) wurde Abweichend vom Skript in das dritte Fach des Geiger-Müller-Aufbaus gelegt, da im zweiten Fach kein Platz für den Absorber gewesen wäre. Zu Anfang wurde die mittlere Zählrate N 0 des Präparates ohne Absorber bestimmt. Das Messintervall betrug, wie auch in den Versuchen zuvor 1 Minute. Der Mittelwert dieser Messung betrug 34,3. Anschließend wurde die Messung mit Absorbern aus Polyethylen mit zunehmender Dicke wiederholt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt und auch im Anhang zu finden. 0 Tabelle 4: Zählraten von 90 Sr bei verschiedenen Absorberstärken (Absorber: PE) mg Absorberstärke (cm) Absorberstärke ( cm ) Zählrate N / N 0 0, ,9745 0, ,9315 0, ,8480 0, ,7900 0, ,5593 0, ,865 0, ,050 0, ,0069 0, , Udo Werner, Skript zum Praktikum, S. 54,

9 Auf Basis der ermittelten Zählraten wurde nun Diagramm erstellt. Dazu wurde mg logarithmisch gegen die Absorberstärke (in cm Abschätzung der maximalen Zerfallsenergie E m über die Beziehung Em [ MeV] = 1,84 Rmax[ g ] + 0,1 cm ) aufgetragen. Zur anschließenden musste die erhaltene Messkurve zur Bestimmung von R max extrapoliert werden. Diagramm : Messkurve bei logarithmischer Auftragung von N / N gegen die Absorberstärke 0 mg cm N / N 0 1 0,1 0,01 0, [mg / cm ] Aus dem Diagramm ist anhand der extrapolierten Gerade (gestrichelt) ersichtlich, dass R max (Intensität N / N 0 = 10-3 ) bei ca. 980 mg liegt. Nun kann über oben cm genannte Beziehung die maximale Zerfallsenergie abgeschätzt werden. In diesem Fall beträgt sie E m =,015 MeV. Ein Vergleich mit dem im Skript genannten Literaturwert von E m =,74 MeV zeigt eine doch deutliche Abweichung. Der Grund dafür könnte eine eventuell falsche Extrapolierung der Geraden sein. Udo Werner, Skript zum Praktikum, S. 54,

10 Quellen: Udo Werner, Praktikumsskript, 005 F. Kohlrausch, Praktische Physik Gerthsen, Physik, 1995 Charles E. Mortimer, Chemie,