Kalium ist weit verbreitet
Kalium gehört zu den am häufigsten vorkommenden Elementen auf der Erde. Auch in vielen Lebensmitteln und dem menschlichen Organismus (insb. den Knochen) kommt Kalium vor. Natürliches Kalium kann dabei in drei verschiedenen Isotopen vorliegen: Etwa 93,26% liegen in Form von \(^{39}\rm{K}\) vor. Dieses Isotop ist stabil. Ebenso das Isotop \(^{41}\rm{K}\). Es macht 6,73% des natürlich vorkommenden Kaliums aus. 0,012% liegen jedoch im Form des radioaktiven Isotopes \(^{40}\rm{K}\) vor, das eine Halbwertszeit von \(t_{1/2}=1{,}277\cdot 10^9\,\rm{a}\) hat. Es kann dabei über einen \(\beta^-\)-Zerfall, einen \(\beta^+\)-Zerfall oder über Elektroneneinfang zerfallen.
Nachweis eines hohen Kaliumanteils in Lebensmitteln
Einige Lebensmittel wie getrocknete Aprikosen oder Kakao besitzen einen relativ hohen Kaliumgehalt von etwa 1300-2000mg je 100g. Auch Kaliumtabletten, die meist Kaliumchlorid enthalten, besitzen einen hohen Kaliumanteil. Um zu prüfen, ob du dieser Kaliumgehalt und damit das minimale Vorkommen von \(^{40}\rm{K}\) zu einer messbaren Erhöhung der ionisierenden Strahlung führt, kannst du folgendes Experiment durchführen.
Versuchsdurchführung
Das Zählrohr wird nacheinander direkt auf die verschiedenen Lebensmittel bzw. die Kaliumchloridtabletten platziert. Dabei werden jeweils fünf Messungen mit einer Torzeit (Dauer der Zählung) von \(t=100\,\rm{s}\) oder länger durchgeführt. Gemssen werden jeweils die Anzahl der Counts in diesem Zeitfenster. Zusätzlich wird ein solcher Messzyklus auch ohne Gegenstand vor dem Zählrohr durchgeführt, um das Untergrundrauschen zu ermitteln.
Versuchsbeobachtung
| Messung 1 | Messung 2 | Messung 3 | Messung 4 | Messung 5 | Mittelwert | Standard- abweichung |
|
| Untergrund | 47 | 31 | 50 | 33 | 37 | 39,6 | 7,6 |
| Schokolade (90% Kakao) | 47 | 59 | 59 | 56 | 66 | 57,4 | 6,2 |
| getrocknete Aprikosen | 69 | 59 | 51 | 77 | 62 | 63,6 | 8,8 |
| Kaliumchlorid-Tabletten | 255 | 256 | 235 | 265 | 218 | 246 | 17,0 |
Versuchsauswertung
Aufgabe
Werte den Versuch auf Basis der in der Tabelle angegebenen Messwerte aus. Für welche der gemessenen Versuchsgegenstände (Schokolade, Aprikosen, Kaliumchlorid) kannst du sicher sagen, dass sie zu einer zu einer erhöhten Zählrate führen?
Enthalten die Aprikosen oder die Schokolade mehr Kalium? Prüfe durch Rechnen eines t-Tests.
Einordnung der gemessenen Größen
Wichtig ist die Einordnung der hier gemessenen Größen. Die durch das natürliche Kalium, welches unverzichtbar für den menschlichen Stoffwechsel ist, verursachte Strahlenbelastung ist niedrig. Durch den \(^{40}\rm{K}\)-Anteil im Kalium hat Kalium eine spezifische Aktivität von \(30{,}92\,\rm{Bq}\) pro Gramm Kalium. Hieraus ergibt sich beim typischen Kaliumgehalt des menschlichen Körpers eine Aktivität von 40-60 Becquerel pro Kilogramm Körpergewicht. Die effektive Dosis liegt im Mittel bei \(0{,}165\,\rm{mS}\) pro Jahr und sorgt damit für weniger als 10% der natürlichen Strahlenbelastung von \(2{,}1\,\rm{mS}\) pro Jahr.
Mehr Infos zu Radionuklide in Nahrungsmitteln findest du hier beim Bundesamt für Strahlenschutz.
Alternative Versuchsaufbauten
Alternativ kann das Zählrohr auch an ein computergestütztes Messsystem angeschlossen werden. Hier können problemlos längere Torzeiten und längere Messreihen realisiert werden.