Physikalisches Praktikum I

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1 Fachbereich Physik Physikalisches Praktikum I Name: Reichweite von α-strahlen Matrikelnummer: Fachrichtung: Mitarbeiter/in: Assistent/in: Versuchsdatum: Gruppennummer: Endtestat: Dieser Fragebogen muss von jedem Teilnehmer eigenständig (keine Gruppenlösung!) handschriftlich beantwortet und vor Beginn des Versuchs abgegeben werden. Die Vorbereitung wird zusätzlich durch einen Test bzw. eine mündliche Prüfung über die physikalischen Grundlagen des Versuchs kontrolliert. (Version: 11. November 2014) Versuchsziel und Versuchsmethode: 1.) Skizzieren Sie den Aufbau von Atom und Atomkern und geben Sie die Grössenverhältnisse an. 2.) Was versteht man unter dem Begriff Isotop? Geben Sie Art und Anzahl der Teilchen in einem Atom des Isotops 241 Am an.

2 3.) Wie lautet das Zerfallsgesetz? Erklären Sie den Begriff Halbwertszeit. 4.) Welche Strahlenarten treten beim Zerfall von auf der Erde natürlich vorkommenden radioaktiven Stoffen auf? 5.) Wie lautet die Reaktionsgleichung für den α-zerfall von 241 Am? 6.) Erklären Sie die Arbeitsweise eines zylindrischen Gasionisationsdetektors und skizzieren Sie das elektrische Feld. 7.) Wie unterscheiden sich Ionisationskammer und Geiger-Müller-Zählrohr?

3 Version: 11. November 2014 K Kernphysik Reichweite von α-strahlen Stichworte Natürliche Radioaktivität, Strahlungsarten, Isotope, Halbwertszeit, Lebensdauer, Zerfallsreihen anhand der Nuklidkarte, Wechselwirkung von Strahlung mit Materie, Zählrohre, Ionisationskammer, Proportionalzählrohr, Gasentladungszählrohre (Geiger-Müller- Zählrohr), statistische Schwankungen, Strahlenschutz. Literatur Gerthsen, Physik, Kap. 13 "Kerne und Elementarteilchen" Demtröder, Experimentalphysik 4, Kap. 3 Instabile Kerne, Radioaktivität, Kap. 4 Experimentelle Techniken und Geräte in Kern- und Hochenergiephysik Eichler, Das Neue Physikalische Grundpraktikum, XI. Kap. Radioaktivität und Strahlenschutz dtv-atlas zur Atomphysik Bethge, Kernphysik, Kap. 5 Experimentelle Verfahren der Kernphysik, Kap. 7 Kernzerfälle - Radioaktivität Theoretische Grundlagen Atome, deren Atomkerne spontan Strahlung aussenden, ohne dass ihnen von außen Energie zugeführt wird, werden als radioaktiv bezeichnet. Bei der natürlichen Radioaktivität treten dabei drei Strahlungsarten auf: 1. elektromagnetische Wellen (γ-strahlen mit diskreter Energie) 2. Elektronen (β -Strahlen mit kontinuierlichen Energiespektren, Neutrinos!) 3. zweifach positiv geladene Heliumkerne (α-strahlen mit charakteristischen Energien). Bei künstlich erzeugten Isotopen kommt im wesentlichen noch Positronenstrahlung (β + ) dazu. Der radioaktive Zerfall ist ein rein statistischer Vorgang: Die zeitliche Abnahme dn/dt ist der Zahl n(t) der vorhandenen Atomkerne proportional: dn dt = λn (-1) 3

4 Kernphysik Version: 11. November 2014 Der Proportionalitätsfaktor λ heißt Zerfallskonstante, dessen Kehrwert τ die (mittlere) Lebensdauer. Die Integration dieser Gleichung ergibt die Zahl n der zur Zeit t noch nicht zerfallenen Kerne: n(t) = n 0 e λt (-2) n 0 ist hier die Zahl der Kerne zur Zeit t 0 = 0. Zwischen der in Gl. -2 enthaltenen Zerfallskonstanten λ und der Halbwertszeit T 1/2, nach der die Zahl n 0 der anfangs vorhandenen Kerne durch Zerfall auf die Hälfte abgenommen hat, besteht folgender Zusammenhang: n 0 2 = n 0 e λt 1/2 (-3) λ T 1/2 = ln 2 = 0,693 T 1/2 = 0,693 (-4) λ Als Aktivität bezeichnet man das Produkt A = dn/dt = λ n, d.h. die Zahl der Zerfälle dn im Zeitintervall dt. A wurde früher in Curie (Ci) gemessen. Nach dem SI-System darf nur noch die Einheit Becquerel (1 Bq = 1 s 1 ) verwendet werden. Es ist 1 Ci = 3, Bq. Beachten Sie, dass n in Gl. (-2) die Zahl der noch nicht zerfallenen Kerne ist, wogegen die Messgröße die Zahl der Zerfallsprozesse n z = n 0 n in einem Zeitintervall ist! Das im Versuch verwendete Isotop 241 Am entsteht in geringen Mengen in Kernreaktoren durch mehrere Neutroneneinfänge und β-zerfälle aus 238 U. Es hat eine Halbwertszeit T 1/2 = 432,2 a und zerfällt überwiegend durch α-zerfall zu 237 Np: 241 Am 237 Np + α + Q Die Reaktionsenergie Q bestimmt die kinetische Energie der α-teilchen, die bei diesem Zerfall vorwiegend 5,484 MeV(86,0%) und 5,442 MeV (12,7%) beträgt. Der angeregte Tochterkern 237 Np geht durch γ-emission in seinen Grundzustand über. 4

5 Version: 11. November 2014 Nachweis der Strahlung Die beim radioaktiven Zerfall der Atomkerne emittierten Teilchen haben im allgemeinen eine sehr große kinetische Energie. Durchlaufen diese Teilchen nun Materie, so werden deren Atome und Moleküle ionisiert und die Strahlungsteilchen verlieren kinetische Energie. Dieses Ionisationsvermögen wird zum Strahlungsnachweis verwendet. Bei einer Ionisationskammer z.b. lässt man die Strahlung in das elektrische Feld eines Luftkondensators eintreten und misst den durch die erzeugten positiven und negativen Ladungsträger verursachten Entladungsstrom, beispielsweise mit Hilfe eines Stromverstärkers. α- und β-teilchen ionisieren das Gas direkt. Gammaquanten werden über die Entstehung von schnellen Elektronen im Kathodenmaterial oder im Gas infolge von Compton-Effekt, Photoeffekt oder Paarbildung nachgewiesen (indirekte Ionisation). Auf diesem relativ einfachen Prinzip beruhen nahezu alle in der Praxis verwendeten Zähl- und Nachweiseinrichtungen für Strahlung. Die einzelnen Systeme können sich jedoch was Form und Stärke des elektrischen Feldes sowie die Art des Füllgases anbetrifft noch in mannigfaltiger Weise unterscheiden. Messung der Reichweite von α-strahlen in Luft Die Strahlung eines radioaktiven Präparates ionisiert die umgebende Luft. Der Ionisationsstrom kann mit einer Ionisationskammer nachgewiesen werden. Diese ist praktisch ein luftgefüllter, gegen die Umgebung abgeschlossener zylindrischer Kondensator mit verschiebbarem Deckel. Herrscht ein genügend hohes elektrisches Feld in der Kammer, erreichen alle gebildeten Ionen die Elektroden und es fließt ein konstanter Sättigungsstrom, der nur von der Art des Präparates abhängt. Bei kleinerer Spannung als der Sättigungsspannung zwischen den Elektroden werden mehr oder weniger Ionen diese nicht erreichen, sondern vorher rekombinieren. Der Ionisationsstrom ist also kleiner. Bei Messungen mit einer Ionisationskammer ist also darauf zu achten, dass die Betriebsspannung im Sättigungsbereich liegt. Verwendet man als Präparat einen α-strahler und betrachtet den Ionisationsstrom der α-teilchen in Abhängigkeit von dem in Luft zurückgelegten Weg, z.b. durch Verschieben des Kammerdeckels über dem Präparat, stellt man zunächst einen linearen Anstieg des Ionisationsstromes mit dem Abstand fest, der dann allmählich in einen fast konstanten Wert infolge begrenzter Reichweite der α-teilchen übergeht. Extrapoliert man die beiden Geraden, ergibt der Schnittpunkt die mittlere Reichweite. Der Ionisationsstrom wird mit einem Stromverstärker und einem Voltmeter in der Schaltung Abb. -1 gemessen. Der Stromverstärker hat zwei Empfindlichkeitsstufen, wobei für je 10 9 A bzw A Messstrom eine Ausgangsspannung von 1 V erzeugt wird. Die Ausgangsspannung sollte im Experiment 13 V nicht überschreiten! Zur Bestimmung der Reichweite genügen relative Werte für den Ionisationsstrom. 5

6 Kernphysik Version: 11. November P d x 0 U L Stromverstärker I E U A U A Abbildung -1: Schaltung zur Messung der α-reichweite mit Ionisationskammer und Stromverstärker. P: radioaktives Präparat, d: Abstand Präparat - Deckel x: Abstand Kammerboden - Deckel, L: abgeschirmte Messleitung Messprogramm Bestimmen Sie die Reichweite der α-strahlung von 241 Am in Luft. 1. Der Nullpunkt des Stromverstärkers ist einzustellen. Dazu wird das Messkabel am Stromverstärker abgezogen und die mit dem Multimeter gemessenen Ausgangsspannung mit dem am Stromverstärker befindlichen Potentiometer auf Null gestellt. 2. Der Sättigungsstrom der Ionisationskammer ist zu messen (Schaltung nach Abb. -1). Dazu ist der Kammerdeckel über dem Präparat so einzustellen, dass er mit dem Führungszylinder abschließt, und die Spannung in Stufen von 25 V bei 0 V beginnend bis auf 500 V zu steigern. Der gemessene Ionisationsstrom wird graphisch gegen die angelegte Spannung aufgetragen und die Sättigungsspannung aus der Kurve ermittelt. Diese Messung wird für beide Empfindlichkeitsstufen des Stromverstärkers durchgeführt. Den Ergebnissen entsprechend werden dem Assistenten eine Messspannung und ein Empfindlichkeitsbereich für die folgenden Reichweitebestimmungen vorgeschlagen. 6

7 Version: 11. November Die Reichweite der von dem Präparat ausgesandten α-strahlung in Luft ist im Sättigungsgebiet zu messen. Beginnend vom kleinsten Kammervolumen, d.h. hereingeschobenem Deckel, soll nun der Abstand Präparat-Kammerdeckel jeweils um 3 mm vergrößert werden, bis der Abstand des Kammerdeckels etwa 5 cm beträgt. Dies wird durch Verschieben des Kammerdeckels erreicht. Für jeden Abstand d misst man den Ionenstrom und trägt diesen in Abhängigkeit vom Abstand Präparat-Kammerdeckel graphisch auf. Lineare Extrapolation liefert die mittlere Reichweite der α-strahlung. Diese Messreihe ist zweimal durchzuführen. Erklären Sie den Einfluss folgender Effekte auf die gemessene Kurve: Hinweise a) Weites Strahlenbüschel anstelle von Parallelstrahlen b) Die α-quelle ist mit einer Gold-Palladium-Legierung von ca. 2 µm Dicke abgedeckt. c) Das Americium ist fest in eine Edelmetallfolie eingewalzt. Was bedeutet dies für α-teilchen aus tieferen Schichten des Präparats? 1. Die Apparatur darf erst in Betrieb genommen und die Netzverbindungen erst dann hergestellt werden, wenn die Schaltung vom Assistenten geprüft ist. 2. Nach jeder Umschaltung des Empfindlichkeitsbereichs am Stromverstärker muss dessen Nullpunkt neu eingestellt werden. 3. Der kleinste Abstand zwischen Deckel und Präparat sollte ca. 5 mm betragen. Dies erreicht man, indem man den Deckel ganz hereinschiebt, bis er auf dem Präparat aufliegt. Danach wird er wieder 3 mm herausgeschoben (wieso?). 4. Folgende Behandlungsvorschriften für das Präparat sind unbedingt zu beachten: a) Das Präparat darf nur vom Assistenten angefasst werden. b) Niemals mit den (ungeschützten) Augen in unmittelbare Nähe des Präparats kommen! c) Nach dem Anfassen des Präparates sofort Hände mit Seife waschen. 7