Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

Ionisierung durch Strahlung

  • Gibt es verschiedene Arten ionisierender Strahlung?
  • Welche Eigenschaften hat ionisierende Strahlung?
  • Warum ist ionisierende Strahlung so gefährlich?
  • Kann man sich gegen ionisierende Strahlung schützen?

Ionisierung durch Strahlung

Ionisation durch \(\alpha\)-Strahlung und Abschirmung von \(\alpha\)-Strahlung

Versuch zur Ionisierung von Luft durch Alphastrahlung
Abb.
1
Aufbau des Versuchs zur Ionisierung durch Alphastrahlung

Aufbau und Durchführung

Ein Elektroskop wird mittels eines Reibestabs geladen. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Elektroskop positiv oder negativ geladen wird. Soll die Unabhängigkeit des Versuchs von der Ladung gezeigt werden, bietet sich ein Laden des Elektroskops mittels Hochspannungsquelle an. Anschließend wird ein Alphastrahler wie z.B. Americium-241 in geringem Abstand vom Elektroskop platziert und die Veränderung des Ausschlags beobachtet.

Gleichzeitig kann mit dem Versuch auch die einfache Abschirmung von Alphastrahlung gezeigt werden. Dazu wird im Laufe des Experimentes für einige Zeit z.B. ein Blatt Papier zwischen Strahler und Elektroskop gehalten.

Versuch und Auswertung im Video

Ionisation durch Alphastrahlung

Abb. 2 Versuch im Video

Beobachtung

Bringt man das Americum-Präparat in die Nähe des geladenen Elektroskopkopfes, so entlädt sich das Elektroskop langsam, egal ob es positiv oder negativ geladen war. Hält man ein Blatt Papier zwischen Strahler und Elektroskop, so stoppt die Entladung des Elektroskops.

Ergebnis

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Dadurch ist die Umgebung des Elektroskopkopfes leitend und es kommt zu Entladevorgängen mit der Luft. Allerdings kann Alphastrahlung bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. Auch hat Alphastrahlung in Luft nur eine geringe Reichweite von höchstens 10 cm.

Entladung eines Kondensators durch \(\alpha\)-Strahlung

Aufbau

Durchführung

Der Kondensator wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle aufgeladen. Dann bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten und beobachtet dabei die Ladung mit Hilfe des Elektroskops.

Beobachtung

Bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten, so entlädt sich das Elektroskop, und zwar schneller als beim Versuch mit dem dem Elektroskop allein, obwohl mehr Ladungen auf Elektroskop und Kondensator sind als nur auf dem Elektroskop.

Ergebnis

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Dadurch kommt es zur Entladung der Kondensatorplatten.

Ionisierungsstrom beim Kondensator

Aufbau

Durchführung

Der Kondensator wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle aufgeladen. Dann bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten und beobachtet dabei den Entladestrom.

Beobachtung

Bringt man das Präparat in die Nähe des Kondensators, so fließt ein Entladungsstrom in der Größenordnung von \({10^{ - 9}}{\rm{A}}\). Aus der Tatsache, dass der Stromfluss schon beginnt, wenn man das Präparat noch einige \(\rm{cm}\) von der Kondensatorplatte entfernt ist, kann man die Reichweite der Strahlung in Luft abschätzen. Hüllt man das Präparat in Papier, so geht der Stromfluss deutlich zurück.

Spitzenzähler

Aufbau

Durchführung

Man bringt das Präparat in die Nähe des Spitzenzählers.

Beobachtung

Bringt man das Präparat in die Nähe des Spitzenzählers, so hört man das typische Knacken im Lautsprecher.

Erklärung

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Durch die hohe Spannung ist in der Umgebung der Spitze die Feldstärke sehr hoch. Dort werden die Ionen und Elektronen so stark beschleunigt, dass es zur Ionisierung weiterer Gasmoleküle kommt. Es kommt zur Auslösung einer Entladungslawine, die im Lautsprecher zu einem Knacken, bei hoher Zerfallsrate zu einem Rauschen führt.

Für den Zusammenbruch des Ionisationsstroms sorgt der hohe Widerstand im Adapter. An ihm fällt bei Stromfluss (nur bei Stromfluss) ein hoher Anteil der angelegten Spannung ab. Die verbleibende Spannung zwischen Spitze und Rohr reicht dann nicht mehr zur Aufrechterhaltung des Ionisationsstroms.

Hinweis: Der Spitzenzähler hat in der heutigen Nachweistechnik kaum noch Bedeutung, wegen seiner einfachen Bauart und seiner Zerlegbarkeit kann man über ihn aber sehr gut die wesentlichen Eigenschaften des Zählrohrs einführen.

Ionisationskammer

Aufbau

 
 

Man steckt das Kabel des Messverstärkers von unten als Innenelektrode in den Boden der Ionisationskammer und befestigt darauf mit Hilfe einer Kupplung das Radiumpräparat. Dann muss der Messverstärker eingestellt werden (Nullpunkt, Empfindlichkeit im Bereich von \(3 \cdot {10^{ - 10}}{\rm{A}}\) voll aufdrehen).

Durchführung

Man regelt die Spannung lansam hoch und misst den Ionisationsstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Beobachtung

\(U\;{\rm{in}}\;{\rm{V}}\) \(50\) \(120\) \(180\) \(310\) \(430\) \(830\)
\(I\;{\rm{in 1}}{{\rm{0}}^{{\rm{ - 10}}}}{\rm{A}}\) \(0,2\) \(0,7\) \(0,9\) \(1,03\) \(1,04\) \(1,2\)

Auswertung und Ergebnis

Bei kleinen Spannungen zwischen Innenelektrode und Wand gelangen nicht alle Elektronen und positiven Ionen an die Wand bzw. an die Innenelektrode. Ein Teil von ihnen rekombiniert (= Wiedervereingung von Elektronen und Ionen) bereits innerhalb der Kammer. Aus diesem Grund ist bei kleinen Spannungen die Größe des Ionisationsstroms kein Maß für die Zahl der erzeugten Elektron - Ionen - Paare.

Bei größeren Spannungen hingegen gelangen alle von der radioaktiven Strahlung primär erzeugten Elektronen und Ionen an die Elektroden. Der Ionisationsstrom nimmt einen Sättigungswert an, der in einem breiten Spannungsbereich nahezu unabhängig von der Spannung ist und nur von der radioaktiven Strahlung abhängig ist.

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