LABOR BUCHª. DESY-Schülerlabor physik.begreifen. Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

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1 LABOR BUCHª DESY-Schülerlabor physik.begreifen Name: Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Weitere Informationen auf unseren Internet-Seiten 2 physik.begreifen 08/2018

3 Grundlagenexperimente Um Experimente mit radioaktiven Stoffen durchführen zu können, müsst ihr erst den sicheren Umgang mit den Geräten und einigen Präparaten lernen. Im ersten Teil dieses Laborbuchs findet ihr alle nötigen Infos für die ersten Versuche, die euch die Grundlagen vermitteln. physik.begreifen 08/2018 3

4 Der Nulleffekt Worum es in diesem Versuch geht: In unserer Umwelt gibt es einige natürliche radioaktive Stoffe, die uns ständig umgeben, zum Beispiel das Gas Radon. Die im Zählrohr von diesen Stoffen erzeugten Impulse nennt man den Nulleffekt. Er ist immer gegenwärtig und wird bei jeder Messung mitgemessen. Ziel Ermittlung der Nullrate. Das ist die Zählrate des Nulleffekts. Zählrate heißt die Zahl registrierter Impulse geteilt durch die Messzeit. Versuchsaufbau Zählrohr Experimentierplatte Messt zweimal die Nullrate für jeweils 50 Sekunden. Messzeit in s Anzahl der Impulse physik.begreifen 08/2018

5 Der Nulleffekt Ergebnis Notiert euch hier die Anzahl der Impulse des Nulleffekts pro 20, 50 bzw. 100 Sekunden, basierend auf der Mittelwertbildung für viele Messungen. Messzeit in s Impulse im Mittel physik.begreifen 08/2018 5

6 Sind Salze radioaktiv? Worum es in diesem Experiment geht: Einige normale Lebensmittel enthalten sehr geringe Mengen natürlicher radioaktiver Elemente. In manchen Salzen kann man diese Radioaktivität schon mit unseren einfachen Messgeräten finden. Ziel: Untersucht die verschiedenen Salze auf Radioaktivität. Überlegt euch vorher, wie ihr feststellt, ob ein Salz möglicherweise radioaktive Elemente enthält oder nicht. Durchführung: Messt für jedes Salz die Impulse pro 100 Sekunden unter Berücksichtigung des Nulleffekts. Befestigt die Salzbeutelchen dazu mithilfe der Wäscheklammern an dem Aluminiumrähmchen. Versuchsaufbau: Salzprobe 1 cm Zählrohr Experimentierplatte 6 physik.begreifen 08/2018

7 Sind Salze radioaktiv? Messwerte Salz Diätsalz Natriumchlorid (NaCl) Kaliumchlorid (KCl) Kalziumchlorid (CaCl 2 ) Impulse pro 100 s Impulse pro 100 s vermindert um den Nulleffekt Bestimme die Inhaltsstoffe und Elemente, welche die möglicherweise nachgewiesene Strahlung verursachen. Verwende dabei auch die Informationen in der Radioaktivitätsmappe. physik.begreifen 08/2018 7

8 Berührungsfreie Materialprüfung Worum es in diesem Versuch geht: Materialfehler (z. B. Risse, Hohlräume), die mit dem Auge nicht erkennbar sind, können gefunden werden, indem man die Teile mit ionisierender Strahlung aus einer geeigneten Quelle bestrahlt. Ziel Untersucht die kunststoffbeschichtete Bleiplatte auf Löcher, indem ihr sie an den markierten Stellen mit dem Radiumstrahlerstift bestrahlt. Beantwortet folgende Fragen: 1. Wie viele Löcher könnt ihr nachweisen? Ab wann identifiziert ihr ein Loch überhaupt als solches? 2. Kann man anhand der Messwerte etwas über die Art und Größe der Löcher sagen? Versuchsaufbau Klammer kunststoffbeschichtete Bleiplatte Aluminiumrahmen Zählrohr Radiumstrahlerstift 1 cm Experimentierplatte 8 physik.begreifen 08/2018

9 Berührungsfreie Materialprüfung Radioaktivität Durchführung Benutzt zunächst den Aluminiumstab, um die Markierungen anzuvisieren und so die jeweilige Stellung der Platte festzulegen. Mithilfe der Klammern könnt ihr die Platte am Aluminiumrahmen fixieren. Messt an jedem der fünf Punkte 50 Sekunden lang. Messwerte Markierung Referenzpunkt Impulse pro 50s Impulse pro 50s vermindert um den Nulleffekt physik.begreifen 08/2018 9

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11 Die Auswahlexperimente Die Auswahlexperimente verlaufen freier als die Einarbeitungsexperimente. Deshalb findet ihr in diesem Teil des Laborbuchs eher Vorschläge für Versuche als konkrete Anleitungen. Überlegt euch selbst, welche Versuchsanordnungen und Messmethoden jeweils am sinnvollsten sind! Neben den Arbeitsvorschlägen findet ihr genügend Platz, um eure Messwerte, Rechnungen, Diagramme und Erklärungen festzuhalten. Millimeterpapier sowie leere Tabellen und Winkeldiagramme findet ihr außerdem vorne in den roten Kästen. In den Radioaktivitätsmappen an eurem Arbeitsplatz könnt ihr weitere Informationen finden, die euch gegebenenfalls helfen, die Versuche zu verstehen und zu erklären. physik.begreifen 08/

12 Experiment A Durchdringungsvermögen ionisierender Strahlung Das Durchdringungsvermögen ionisierender Strahlung ist abhängig von der Strahlungsart (α/β/γ), dem zu durchdringenden Material sowie von der Dicke dieses Materials. Zubehör 1 Ra-226-Strahlerstift, verschiedene Materialien zur Abschirmung Mögliche Experimente Bestimmung der Halbwertsdicke von Papier Die Halbwertsdicke von Papier ist hier die Anzahl der Papierblättchen, die die Strahlungsintensität um die Hälfte reduzieren. Prozentuale Verteilung der Strahlenarten Abschirmung durch bis zu fünf Platten Aluminium Untersuchung verschiedener Materialien auf ihre Durchlässigkeit für Strahlung Abschirmung Zählrohr Radiumstrahlerstift 2 cm Experimentierplatte 12 physik.begreifen 08/2018

13 Experiment B Elektronenstrahlung im Magnetfeld Die Strahlung des Strahlerstifts tritt nicht nur gerade nach vorne aus, sondern auch etwas zu den Seiten. Informiert euch in der Radioaktivitätsmappe darüber, wie sich diese Strahlungsverteilung durch Einfluss eines Magnetfelds ändern würde und welche Kraft dafür verantwortlich ist. Zubehör 1 Ra-226-Strahlerstift, 1 Bleiblende, 2 Magnete inkl. Halterung Mögliche Experimente Räumliche Verteilung der Strahlung ohne Magnetfeld Räumliche Verteilung der Strahlung mit Magnetfeld Vergleich des Verhaltens der Strahlung des Ra-226-Strahlerstifts mit der eines Na-22-Strahlerstifts Tipp: Wählt kurze Messzeiten (z. B. 20 s), um möglichst viele verschiedene Messungen durchführen zu können (verschiedene Winkel, verschiedene Magnetanordnungen). Bleiblende Rundmagnete Zählrohr Radiumstrahlerstift 1 cm 5 cm Experimentierplatte physik.begreifen 08/

14 Experiment C Streuung von Teilchenstrahlung Unter Streuung versteht man in der Physik allgemein die Ablenkung eines Objekts nach Zusammenstoß mit einem anderen Objekt. Informiert euch in der Radioaktivitätsmappe genauer über dieses Phänomen. Zubehör 1 Ra-226-Strahlerstift, 1 Bleiblende, verschiedene Materialien Mögliche Experimente Streuung an Papier: Baut den Versuch wie unten abgebildet auf und messt jeweils die Impulsrate für 50 Sekunden. Bei welchem Aufbau ist die Impulsrate höher und warum? Streuung an verschiedenen Materialien: Testet die Streuung an verschiedenen Materialien, indem ihr die Impulsrate jeweils an allen Winkelpositionen messt. Aufbau 1. Versuchsteil a) Blatt Papier direkt vor Strahlerstift Papier Zählrohr Radiumstrahlers 4 cm Experimentierplatte 14 physik.begreifen 08/2018

15 b) Blatt Papier direkt vor Zählrohr Papier Zählrohr Radiumstrahlerstift 4 cm Experimentierplatte Aufbau 2. Versuchsteil Experimentierplatte Bleiblende verschiedene Materialien Zählrohr 15 Radiumstrahlerstift physik.begreifen 08/

16 Experiment D Bestimmung der Halbwertszeit von Pa-234m Ziel ist die Bestimmung der Halbwertszeit von Protactinium 234m. Diese erhält man aus einer Messung der Impulsrate (Anzahl der Impulse pro 20 Sekunden). Informiert euch in der Radioaktivitätsmappe über den Isotopengenerator, an dem die Messung durchgeführt wird. Zubehör Isotopengenerator, Holzblock, Plexiglasplatte, Stoppuhr Messung Nehmt eine Messreihe auf, indem ihr sieben Minuten lang alle 20 Sekunden die Anzahl der Impulse ablest. Berücksichtigung des Untergrunds Im unteren Teil des Isotopengenerators befinden sich Uran und dessen Zerfallsprodukte. Die Strahlung, die davon ausgeht, nennen wir Untergrundstrahlung. Diese muss bei der Auswertung berücksichtigt werden. Die Messung der mittleren Untergrundrate (Impulse pro 20s) wird am besten mindestens 5 Minuten nach Aufnahme der Messreihe durchgeführt. Plexiglasplatte Zählrohr Isotopengenerator Experimentierplatte Holzblock 16 physik.begreifen 08/2018

17 Experiment E Das Abstandsgesetz für Betastrahlung In diesem Versuch soll untersucht werden, nach welcher Gesetzmäßigkeit die Intensität der ionisierenden Strahlung abnimmt, wenn der Abstand zur Strahlenquelle vergrößert wird. Zubehör Ra-226-Strahlerstift, Papier (Vorüberlegung: Warum sollen diese Messungen mit einem Papierfilter durchgeführt werden?) Messung Messt die Impulsrate bei möglichst vielen verschiedenen Abständen d. Denkt daran, dass die Reichweite des Strahlerstifts etwa 30 cm beträgt. Wählt kurze Messzeiten (z. B. 20 s) und messt dafür bei jedem Abstand dreimal. Auswertung Welcher mathematische Zusammenhang besteht zwischen Impulsrate und Abstand? Ist die Impulsrate proportional zu 1/d, 1/d 2 oder 1/d 3? Dies lässt sich z. B. untersuchen, indem man die Impulsrate I eines Abstands d mit d, mit d 2 und mit d 3 multipliziert und jeweils überprüft, ob das Produkt über die gesamte Messreihe annähernd konstant ist. Papier Zählrohr Radiumstrahlerstift d (variabler Abstand) Experimentierplatte physik.begreifen 08/

18 Protokoll 18 physik.begreifen 08/2018

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24 Deutsches Elektronen-Synchrotron Ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft Die Helmholtz-Gemeinschaft hat die Aufgabe, langfristige Forschungsziele des Staates und der Gesellschaft zu verfolgen, einschließlich Grundlagenforschung, in wissenschaftlicher Autonomie. Dazu identifiziert und bearbeitet sie große und drängende Fragen von Gesell schaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch strategischprogrammatisch ausgerichtete Spitzenforschung. Mit mehr als Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Jahresbudget von 4,5 Milliarden Euro ist die Helmholtz-Gemeinschaft die größte Wissenschaftsorganisation Deutschlands.