Vorwissen Abitur (4): Natürliche Radioaktivität

 

Mit natürlicher Radioaktivität bezeichnet man die Erscheinung, dass bei der Umwandlung von Atomkernen Strahlung ausgesendet wird. Es gibt verschiedene Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung.

Geiger-Müller-Zählrohr

Geiger-Müller-Zählrohr

Das Geiger-Müller-Zählrohr, auch Geigerzähler genannt, wurde von Hans Geiger und Walther Müller entwickelt. Es besteht aus einer mit Edelgas gefüllten Röhre, die die Kathode bildet, und dem als Anode dienenden Draht in der Mitte der Röhre. Anode und Kathode sind durch einen Stromkreis verbunden, es liegt eine hohe Spannung (mehrere hundert V) an. Wichtig ist der hochohmige Widerstand im Stromkreis, der den Entladungsstrom begrenzt.
Durch die einfallende Strahlung wird das Gas im Rohr ionisiert, indem die Außenelektronen vom Kern getrennt werden (Stoßionisierung). Die Elektronen bewegen sich zur Anode, die positiv geladenen Ionen zur Kathode. Auf dem Weg werden weitere Atome ionieiert. Dadurch kommt ein Stromimpuls zustande, der im Zähler verarbeitet wird.

Halbleiterdetektor

Die Strahlung erzeugt Ladungspaare (Elektronen und Löcher) in der verärmten Sperrschicht. Die Ladungspaare bewegen sich im elektrischen Feld in Richtung der Elektroden. Der dadurch entstehende Spannungsimpuls wird wie beim Geiger-Müller-Zählrohr verarbeitet.

Strahlungsarten

α-Strahlung besteht aus doppelt positiv geladene Heliumkernen. Sie kann durch dickes Papier aufgehalten werden.

β+-Strahlung besteht aus Positronen (positive Elektronen). Sie kann durch 5mm Aluminium aufgehalten werden.

β--Strahlung besteht aus Elektronen. Sie kann durch 5mm Aluminium aufgehalten werden.

γ-Strahlung besteht aus Photonen (wie Röntgenstrahlung). Sie kann durch dickes Blei aufgehalten werden.

Eigenschaften der Strahlungen

Die verschiedenen Strahlungen werden im elektrischen und magnetischen Feld unterschiedlich abgelenkt:

  • γ-Strahlung: gar nicht
  • α-Strahlung: eine Richtung
  • β+-Strahlung: gleiche Richtung, wird aber stärker abgelenkt
  • β--Strahlung: andere Richtung

Untersuchung der β--und γ-Strahlung

Trennung von Strahlung

Die α-Strahlung erreicht das Zählrohr auf Grund seiner geringen Reichweite nicht, daher werden nur β--und γ-Strahlung berücksichtigt. Es werden die Impulsraten in Abhängigkeit vom Winkel φ gemessen.

  1. Ohne Magnetfeld: Die Intensität der Strahlung ist in der Richtung des Metallrohres am größten.
  2. Mit Magnetfeld: Das Maximum ist zu den positiven Winkeln hin verschoben. Es ist niedriger, dafür aber weiter auseinander gezogen.

Die γ-Strahlung durchdringt die Röhre und breitet sich daher gleichförmig in alle Richtungen aus. Sie wird im Magnetfeld nicht abgelenkt. Daher verschiebt sich durch die γ-Strahlung die Kurve nur um einen konstanten Wert nach oben. Abflachung und Verbreiterung des Maximums folgen aus der Ablenkung der Elektronen, für die \vec v \bot {\text{B}} gilt, auf eine Kreisbahn. Die emittierten β--Teilchen müssen verschiedene Geschwindigkeiten besitzen.

Satz:
Die β--Strahlung besteht aus Elektronen, die keine einheitliche Geschwindigkeit und somit auch keine einheitliche Energie besitzen, sondern ein kontinuierliches Energiespektrum bilden, das bis zu 3MeV reicht.
Die γ-Strahlung ist eine sehr kurzwellige elektromagnetische Strahlung mit 10-13 m < λ < 10-10 m, deren Energiequanten der Größe 0,01MeV-10MeV entsprechen. Sie breitet sich konstant mit Lichtgeschwindigkeit aus.

Absorption von γ-Strahlung in Materie

Wenn γ-Strahlung feste Materie durchläuft, wird sie nach und nach absorbiert. Dabei kann keine Aussage über ein bestimmtes Photon gemacht, sondern nur die durchschnittliche Anzahl der absorbierten und durchgelassenen Photonen ermittelt werden.

Absorption

Der Verlauf der Kurve ist eine Exponentialfunktion mit dem Aufbau:

f(x) = k_0 e^{-cx}

Die logarithmierten Werte liegen (näherungsweise) auf einer Geraden mit dem Aufbau:

\ln k(d) = -cd+\ln k_o

logarithmierte Werte

Bestimmung der Konstante c

Bei der numerischen Berechnung erhält man für Eisen:

c = -\frac{{4,94-7,17}} {{40}} = 0,056

und für Blei:

c = -\frac{{3,00-7,17}} {{40}} = 0,104

Um sich diese Rechnung zu sparen, benutzt man normalerweise für solche Rechnungen als Konstante die Halbwertsdicke des benutzten Materials, die sich aus Tabellen entnehmen lässt.

Halbwertsdicke

Die Dicke des Materials, die die Strahlung durchlaufen muss, damit dir Hälfte der Photonen absorbiert wird, nennt man Halbwertsdicke. Mit ihr lässt sich die Konstante c berechnen:

k(d_H ) = \frac{{k_0 }} {2} \Leftrightarrow k_0 \cdot e^{-cd_H } = \frac{{k_0 }} {2}{\text{ }}|\ln

\Leftrightarrow -cd_H = -\ln 2 \quad \quad |:(-d_H )

\Leftrightarrow c = \frac{{\ln 2}} {{d_H }}

Allgemeine Gleichung der Absorption/Abschirmung:

k(d) = k_0 e^{\frac{{-\ln 2}} {{d_H }}d}

Ähnliche Artikel

1 Kommentar zu “Vorwissen Abitur (4): Natürliche Radioaktivität”

cool, aber i find nirgends was über fotomethode des nervt mi :(

Kommentar verfassen