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Versuche

Umweltradioaktivität mit dem Luftballon

Ziel des Versuchs

  • Nachweis von Umweltradioaktivität in Gebäuden
  • Rückführung der Strahlung auf Radon-Tochternuklide

Versuchsaufbau

Zur Demonstration der Umweltradioaktivität in Gebäuden benötigst du lediglich einen Luftballon und einen Geiger-Müller-Zähler samt Zählrohr. Besonders leicht funktioniert der Versuch bei Nutzung eines Großflächendetektors (Durchmesser 45 mm). Er kann aber auch problemlos mit kleinen Geiger-Müller-Zählrohren (Durchmesser 15 mm) durchgeführt werden. Hier sollte die Torzeit jedoch etwas länger gewählt werden.

Versuchsdurchführung

Zunächst bringst du den noch nicht aufgepusteten Luftballon vor das Geiger-Müller-Zählrohr und bestimmst mit mehreren Messungen bei einer Torzeit (Zähldauer) von mind. 60 Sekunden die Nullrate. Anschließend bläst du den Luftballon auf, reibst ihn kräftig an deinem Pullover oder einem Stück Fell, um ihn elektrostatisch aufzuladen und legst ihn für 10-30 min in einen schlecht belüfteten Raum - am besten in den Keller. 

Anschließend lässt du die Luft wieder aus dem Luftballon und bringst ihn erneut direkt vor das Geiger-Müller-Zählrohr. Auch jetzt führst du bei identischer Torzeit mehrere Messungen durch und vergleichst das Ergebnis mit der zuvor gemessenen Nullrate.

Versuchsbeobachtung

radioaktivitaet-luftballon-vorher-nachher.jpg
Abb. 1 Messergebnis der Counts am Luftballon vor und direkt nach der Zeit im Keller

Die Messwerte liegen nach der Zeit im Keller deutlich über den zuvor gemessenen Werten.

Versuchsauswertung

Aufgabe

Entscheide und begründe, ob der Luftballon selbst im Keller radioaktiv geworden ist oder nicht.

Lösung

Nein, der Luftballon selbst ist natürlich nicht radioaktiv geworden, da sich das Material des Luftballons im Keller nicht verändert hat. Der elektrostatisch aufgeladene Luftballon muss jedoch im Keller radioaktive Teilchen angezogen und aufgesammelt haben, da nur so der höhere Messwert nach der Lagerung im Keller erklärt werden kann.

Aufnahme von Messwerten über längeren Zeitraum

Um genauer untersuchen zu können, welche radioaktiven Elemente sich auf dem Luftballon gesammelt haben könnten, musst du eine Messung der vom Luftballon ausgehenden ionisierenden Strahlung über einen Zeitraum von mind. 2-3 Stunden durchführen. Im folgenden wurden eine solche Messreihe aufgenommen. Dabei lag der Luftballon 30 Minuten im Keller, während die Nullrate mit dem Geiger-Müller-Zähler bestimmt wurde. Anschließend wurde der Luftballon direkt vor das Zählrohr platziert. Hier wurde ein kleines Zählrohr mit 15 mm Fensterdurchmesser genutzt. Dies erklärt die deutlich niedrigeren Werte trotz längerer Torzeit im Vergleich zu Abb. 1.

Messergebnisse

diagramm_radioaktivitaet_luftballon.svg
Abb. 2 Diagramm Counts gegen Zeit vom Luftballon aus dem Keller

Das Ergebnis des Experimentes ist in der Grafik dargestellt. Die Messwerte kannst du für eine eigene Auswertung hier herunterladen.

Die aus den Messungen in den ersten 30 Minuten ermittelte Nullrate liegt bei 29 Counts.

Wird der Luftballon vor das Zählrohr gebracht, zeigt sich eine sprunghafter Anstieg der Counts auf etwa 300 Counts. Nach einem leichten Anstieg in der Folgezeit auf knapp 350 Counts fallen die Werte anschließend deutlich ab.

3 1/2 Stunden nach Platzierung des Luftballons vor dem Zählrohr liegen die Messungen wieder im Bereich der Nullrate und fallen nicht weiter ab.

Versuchsauswertung

Auf dem Luftballon sammeln sich radioaktive Teilchen mit relativ kurzer Halbwertszeit an, die sich nach einiger Zeit in Teilchen mit langer Halbwertszeit oder stabile Teilchen.

Nuklide auf dem Luftballon

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Abb. 3 Zentrale Zerfallsreihe von Radon-222

Aus dem Experiment selbst kannst du nicht bestimmen, welche Nuklide sich auf dem Luftballon sammeln. Etwas Recherche zeigt aberm dass sich überall in der Luft eine geringe Konzentration des radioaktiven Edelgases Radon-222 findet. Es entstammt dem Zerfall von Radium-226 und gelangt durch Ritzen im Keller oder direkt aus Baustoffen wie Beton in Gebäude.

Radon zerfällt mit einer Halbwertszeit von 3,8 Tagen in einem \(\alpha\)-Zerfall zu Polonium-218. Es folgen weiterer Zerfälle mit kurzer Halbwertszeit. Da bei \(\alpha\)-Zerfällen häufig auch Elektronen mit aus dem Kern gerissen werden, entstehen dabei positiv geladene Tochternuklide. Diese werden vom negativ aufgeladenen Luftballon angezogen und auf seiner Oberfläche gesammmelt. Durch das Herauslassen der Luft und der Verkleinerung der Oberfläche werden diese radioaktiven Elemente räumlich noch stärker konzentriert. Die Zerfälle dieser Tochternuklide sorgen für die höhere Zählrate mit dem Luftballon.

Aufgabe

Gib an, welche Nuklide sich vermutlich auf dem geladenen Luftballon ansammeln und für die gesteigerten Messwerte verantwortlich sind. Begründe deine Aussagen mithilfe der aufgenommenen Messreihe und der Zerfallsreihe von Radon-222.

Lösung

Auf dem Luftballon sammelt sich hauptsächlich eine Mischung aus Blei-214 und Wismut-214 an. Gestützt wird dies durch die sich in der Messung zeigende Halbwertszeit von etwa 50 min, was im Bereich der addierten Werte von Pb-214 (26,8 m) und Bi-214 (19,7 m) liegt. Zusätzlich trägt auch das zerfallende Polonium-214 zu den gesteigerten Messwerten bei, ist aber aufgrund der sehr kurzen Halbwertszeit nur in geringsten Mengen auf dem Ballon zu finden.

Versuchserweiterung

Während der Messung kannst du zusätzlich zu Beginn und nach etwa 20 Minuten ein Stück Papier für einige Torzeiten zwischen Luftballon und Zählrohr bringen. So schirmst du die \(\alpha\)-Strahlung ab und kannst weitere Aussagen über die gesammelten radioaktiven Stoffe treffen.