Experimente zur Radioaktivität

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1 Experimente zur Radioaktivität ein Praktikumstag im NW-Zentrum Teil 1: grundlegende Versuche Institut für Lehrerfortbildung - naturwissenschaftliches Zentrum Mümmelmannsberg NW-Zentrum - auf der Grundlage des HEW-Heftes Experimente zur Radioaktivität Radioaktivität1 August 02 Seite 1

2 Inhaltsverzeichnis Vorsichtsmaßnahmen Strahlenschutz Umgang mit und grundlegende Versuche zur Radioaktivität GV 1 GV 2 GV 3 GV 4 GV 5 GV 6 GV 7 GV 8 Nachweis radioaktiver Strahlung Nulleffekt, Hintergrundstrahlung Untersuchung von Kaliumsulfat Untersuchung eines Radium-Strahlers unterschiedliche Strahlungsarten Verdopplung des Abstandes Abschirmung mit Hilfe unterschiedlicher Materialien Nachweis von Hohlräumen (Durchstrahlungsverfahren) Radioaktivität1 August 02 Seite 2

3 Vorsichtsmaßnahmen Strahlenschutz Strahlenschutzgrundsätze ( 28 StrSchV): Jede unnötige Exposition (Bestrahlung) oder Kontamination (Verseuchung) von Personen, Sachgütern und Umwelt ist zu vermeiden. Jede Exposition oder Kontamination von Personen, Sachgütern und Umwelt ist so gering wie möglich zu halten. Strahlenschutzmaßnahmen zur Vermeidung bzw. zur Verringerung einer äußeren Strahleneinwirkung: Strahlenquelle geringer Aktivität verwenden Bestrahlungszeit begrenzen Abstand halten Abschirmen Strahlenschutzmaßnahmen zur Vermeidung einer Kontamination: Direkte Berührung von radioaktiven Substanzen vermeiden. Beim Umgang mit radioaktiven Stoffen nicht essen und trinken. Nach Beendigung der Versuche Hände waschen. Beim Umgang mit den verwendeten Strahlern ist daher zu beachten: Die Beutel mit dem Mineralienstein und dem Kaliumsulfat dürfen nicht geöffnet und nicht beschädigt werden. Den Strahlerstift (Ra-226; 3330 Bq) nur für die Dauer einer Messung aus dem Glasbehälter nehmen. Der Strahlerstift kann am hinteren Ende oder an dem Deckel gefahrlos angefaßt werden. Den Bereich vor dem Strahlerstift bis zu einer Entfernung von etwa 30 cm meiden. Die Betastrahlung wirkt auch auf größere Entfernung schädigend auf die Hornhaut des Auges. Also niemals in den Strahlerstift hineinsehen. Ra-226-Strahler Radioaktivität1 August 02 Seite 3

4 Umgang mit und Beim Umgang mit und bitte die folgenden zwei Punkte beachten: Bitte kabel beim Abtrennen nur am Stecker anfassen (Gefahr: Kabelbruch). Das fenster ist aus einer sehr dünnen Glimmerschicht hergestellt, die in keinem Fall berührt oder mit irgendwelchen Gegenständen in Kontakt kommen darf. Für eine Messung wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen, nach der Messung wird sie wieder aufgesteckt. Die Kappe sollte dabei seitlich angefasst werden (vgl. Abbildung). Vorschriftsmäßiges Abnehmen und Aufstecken der Schutzkappe Radioaktivität1 August 02 Seite 4

5 Grundversuch 1: Nachweis radioaktiver Strahlung (Lehrerversuch) GV 1 Seite 1 Information: Ein Geiger-Müller- besteht aus einem gasgefüllten und einem elektronischen Zähler. Dringt Strahlung durch das hauchdünne Fenster des es ins Innere, wird die Gasfüllung ionisiert und dadurch kurzzeitig leitend. Es tritt ein schwacher Stromimpuls auf, den der Zähler registriert. Als Strahlenquelle wird ein Mineralienstein (Columbit) mit geringer Radioaktivität verwendet. Geräte: Fensterzählrohr 1 halter 1 1 Aluminiumrahmen 2 Klammern 1 Mineralienstein (Columbit) 1 Handstoppuhr Versuchsaufbau: Aluminium- Rahmen Mineralienstein (Columbit) 2 cm Fragen zu diesem Versuchsaufbau auf der nächsten Seite. Bitte beachten:! Der Beutel mit dem Mineralienstein darf nicht geöffnet und nicht beschädigt werden. Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 5

6 Grundversuch 1: Nachweis radioaktiver Strahlung GV 1 Seite 2 Frage 1: Wie hängt die Impulszahl von der Messzeit ab? Bei dieser Messreihe Zähler und Uhr gleichzeitig starten, Zähler nach jeweils 30 Sekunden ablesen ohne ihn (oder die Uhr) zu stoppen. Messzeit in s Anzahl der Impulse Impulse t/s Bitte beachten:! Der Beutel mit dem Mineralienstein darf nicht geöffnet und nicht beschädigt werden. Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 6

7 Grundversuch 1: Nachweis radioaktiver Strahlung GV 1 Seite 3 Frage 2: Ergibt sich beim gleichen Versuchsaufbau bei mehreren Messungen in gleicher Zeit immer dieselbe Impulszahl? Hier sollte der Zähler für jede Messung neu gestartet werden. Nr. der Messung Messzeit Impulse (in 30 s) 1 30 s 2 30 s 3 30 s 4 30 s 5 30 s 6 30 s Impulse Messung Nr. Bitte beachten:! Der Beutel mit dem Mineralienstein darf nicht geöffnet und nicht beschädigt werden. Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 7

8 Grundversuch 2: Nulleffekt, Hintergrundstrahlung GV 2 Seite 1 Information: In unserer Umgebung (Luft, Wasser, Erdreich, Mauerwerk, Nahrungsmittel, Pflanzen, Tiere) befinden sich natürliche radioaktive Nuklide, die Strahlen aussenden. Außerdem erzeugen Strahlen, die von der Sonne und anderen Sternen auf die Lufthülle der Erde treffen, beim Zusammenprall eine neue, z.t. sehr durchdringende Strahlung. Geräte: Fensterzählrohr 1 halter 1 1 Handstoppuhr Versuchsaufbau: Umgebungsstrahlung, keine besondere Strahlenquelle Fragen zu diesem Versuchsaufbau auf der nächsten Seite. Bitte beachten:! Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 8

9 Grundversuch 2: Nulleffekt, Hintergrundstrahlung GV 2 Seite 2 Frage 1: Wie hängt die Impulszahl bei der Untersuchung der natürlichen Umgebungsstrahlung von der Messzeit ab? Bei dieser Messreihe Zähler und Uhr gleichzeitig starten, Zähler nach jeweils 30 Sekunden ablesen ohne ihn (oder die Uhr) zu stoppen. Messzeit in s Anzahl der Impulse Die Impulsrate, die sich durch die natürliche Umgebungsstrahlung ergibt, wird Nullrate oder Nulleffekt genannt. Frage 2: Ist der Nulleffekt konstant? D.h.: ergibt sich bei mehreren Messungen des Nulleffekts (in gleicher Zeit) immer das gleiche Messergebnis? Nr. der Messung Messzeit 1 1 min 2 1 min 3 1 min 4 1 min Impulse (in 1 min) Hinweis: Bei Bestimmungen von Zählraten mit dem wird die Nullrate immer mit gemessen. Will man die Impulsrate angeben ( Impulse in einer bestimmten Zeit), die ausschließlich durch die zusätzliche Strahlenquelle erzeugt wird, muss man also die Nullrate abziehen. Bestimme deshalb den Mittelwert deiner Messwerte zu Frage 2. Bei allen folgenden Messungen von Impulszahlen sind also abzuziehen: Messzeit 1 min gemessene Impulszahl verringern um: Impulse Messzeit 30 s gemessene Impulszahl verringern um: Impulse Messzeit 2 min gemessene Impulszahl verringern um: Impulse Radioaktivität1 August 02 Seite 9

10 Grundversuch 3: Untersuchung von Kaliumsulfat GV 3 Seite 1 Information: Als Strahlenquelle wird verwendet: Kaliumsulfat; ein geringer Anteil K-40 in natürlichen Kaliumverbindungen ist radioaktiv (β-, γ-strahlen). Geräte: Fensterzählrohr 1 halter 1 1 Beutel mit Kaliumsulfat 1 Handstoppuhr Versuchsaufbau: Beutel mit Kaliumsulfat 1 cm Frage 1: Ergibt sich in der Nähe von Kaliumsulfat eine erhöhte Impulsrate? Nr. der Messung Messzeit 1 2 min 2 2 min Impulse in jeweils 2 min Impulsrate vermindert um Nulleffekt Bitte beachten:! Der Beutel mit Kaliumsulfat soll nicht geöffnet werden. Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 10

11 Grundversuch 4: Untersuchung eines Radium-Strahlers GV 4 Seite 1 Information: Als Strahlenquelle wird verwendet: Ra-226- (primär α-, γ- Strahler, Folgeprodukte auch β-strahler). Geräte: Halter für 1 Fensterzählrohr 1 e-attrappe 1 halter 1 Ra Handstoppuhr Versuchsaufbau (Radiumstrahler): Strahlerstift mit Ra-226- Halter für 2 cm Frage 1: Wie hängt die Impuls- Frage 2: Ergibt sich beim gleichen zahl von der Mess- Versuchsaufbau bei mehreren zeit ab? Messungen immer die gleiche Impulsrate? Messzeit Impulse Impulsrate vermindert um Nulleffekt Nr. der Messung Messzeit 30 s 1 30 s 60 s 2 30 s 90 s 3 30 s Impulse (in 30 s) Impulsrate vermindert um Nulleffekt Ergebnisse: Bitte beachten:! Zum Umgang mit dem Radium-Strahler vergleiche Seite 3. Für die Messungen wird die Schutzkappe des es vorsichtig abgezogen. Kappe seitlich anfassen; fenster nicht berühren! Radioaktivität1 August 02 Seite 11

12 Grundversuch 5: unterschiedliche Strahlungsarten GV 5 Seite 1 Information: Radium-226 und seine Folgeprodukte senden Alpha-, Beta- und Gammastrahlen aus. Geräte: 1 1 Ra Halter für 1 Fensterzählrohr 1 Alu-Rahmen 1 halter Papier 1 4 Aluminiumplatten 1 Handstoppuhr Versuchsaufbau: Ra-226- Halter für Papier oder Alu-Platten 2 cm Frage 1: Wie wird die Impulsrate durch ein bis drei Blatt Papier verringert? Anzahl der Papierblät ter Anzahl der Impulse in jeweils 30 s Impulsrate vermindert um den Nulleffekt Radioaktivität1 August 02 Seite 12

13 Grundversuch 5: unterschiedliche Strahlungsarten GV 5 Seite 2 Frage 2: Wie wird die Impulsrate durch eine bis vier Aluminiumplatten verringert? Aluminium - platten Durschnittliche Impulse in jeweils 30 s aus drei Messungen Impulsrate vermindert um den Nulleffekt Frage 3: Hast du eine Vermutung über das Durchdringungsvermögen von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen? Frage 4: Kannst du aus folgenden Messwerten die prozentualen Anteile von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen in der untersuchten Strahlung abschätzen? Abschirmmaterial keine Abschirmun 1 Blatt Papier 4 mm Aluminium Impulse in jeweils 30 s Impulsrate vermindert um den Nulleffekt Beispiel Prozentrechnung: Gesamtimpulse = 4000 Alphastrahlung = 800 Rechnung: 800 : 4000 x 100 = 20% Radioaktivität1 August 02 Seite 13

14 Grundversuch 6: Verdopplung des Abstandes GV 6 Seite 1 Information: Eine Strahlenschutzmaßnahme zur Verringerung einer äußeren Strahleneinwirkung ist Abstand halten. Dieser Versuch soll eine Begründung für diese Maßnahme liefern. Geräte: 1 1 Ra Halter für 1 Fensterzählrohr 1 Aluminiumrahmen 1 halter 2 Klammern 1 Papier 1 Handstoppuhr Versuchsaufbau: Ra-226- Halter für Alu-Rahmen mit 1 Blatt Papier d Entfernung d in cm 2 Impulse in jeweils 30 s Impulsrate, vermindert um Nulleffekt 4 Frage 1: Wie hängt die Impulszahl von der Entfernung ab? Frage 2: Wie könntest du deine Vermutung mit einer Messung überprüfen? Radioaktivität1 August 02 Seite 14

15 Grundversuch 7: Abschirmung mit Hilfe unterschiedlicher Materialien GV 7 Seite 1 Information: Eine Strahlenschutzmaßnahme zur Verringerung einer äußeren Strahleneinwirkung ist Abschirmen. In diesem Versuch soll die Abschirmung durch verschiedene Materialen untersucht werden. Geräte: 1 1 Ra Halter für 1 Fensterzählrohr 1 Kunststoffplatte 1 halter 1 Aluminiumplatte (Al) 1 1 Stahlplatte (St) 1 Handstoppuhr 1 Zinnplatte (Sn) 1 Bleiplatte Versuchsaufbau: Ra-226- Halter für Platte zur Abschirmung Vorschlag: Frage 1: Abstand Strahler : 2 cm, Messzeit 1 min. Welches Material ist zur Abschirmung der Strahlen des Radiumstrahlers am besten geeignet? Material Impulsrate keine Abschirmung 2 mm Kunststoff (1 Platte) 2 mm Aluminium (1 Platte, Al) 2 mm Stahl (1 Platte, St) 2 mm Zinn (1 Platte, Sn) 2 mm Blei (1 Platte) Radioaktivität1 August 02 Seite 15

16 Grundversuch 8: Nachweis von Hohlräumen (Durchstrahlungsverfahren) GV 8 Seite 1 Information: Materialfehler (Risse, Hohlräume) können mit radioaktiven Strahlen gefunden werden (Diese Untersuchungen werden meist mit Filmmaterial durchgeführt). Geräte: 1 1 Ra Halter für 1 Fensterzählrohr 1 Aluminiumrahmen 1 halter 1 kunststoffbeschichtete Bleiplatte 1 2 Klammern 1 Handstoppuhr 1 Papier-Abschnitt Versuchsaufbau: Papierabschnitt Ra-226- kunststoffbeschichtete Bleiplatte, mit zwei Klammern befestigt Aluminium -rahmen Vorschlag: Achtung: Abstand Strahler : 2 cm, Messzeit 1 min, den Strahlerstift direkt auf die Kreuze setzen!!! Der Papierabschnitt ist vorbereitet: Er ist mit zwei Mittelachsen versehen. Auf den Achsen sind sieben Punkte markiert. Der Papierabschnitt wird mit Klebeband oder Tesafilm auf der kunststoffbeschichteten Bleiplatte befestigt. Diese Bleiplatte wird mit den beiden Klammern so an dem Aluminiumrahmen befestigt, dass der Papierabschnitt zum zeigt. Nacheinander wird diese Bleiplatte an den sieben angegebenen Stellen durchstrahlt. Die Bleiplatte wird nach jeder Messung entsprechend verschoben. (Für die Markierungen 6 und 7 wird die Bleiplatte um 90 gedreht). Radioaktivität1 August 02 Seite 16

17 Grundversuch 8: Nachweis von Hohlräumen (Durchstrahlungsverfahren) GV 8 Seite 2 Frage 1: Ergeben sich an den verschiedenen Stellen der kunststoffbeschichteten Bleiplatte deutliche Unterschiede? Nr. der Messzeit Markierung, Position der Messung 1 1 min Impulse in jeweils 1 min Impulsrate vermindert um Nulleffekt 2 1 min 3 1 min 4 1 min 5 1 min 6 1 min 7 1 min Frage 2: Welche Aussage könnte man auf Grund der Messungen über die Bleiplatte machen? Radioaktivität1 August 02 Seite 17