Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

Untersuchung der Strontium-90-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?

Untersuchung der Strontium-90-Strahlung

Mit den folgenden Versuchen kannst du verschiedene Eigenschaften der von Strontium-90 (Sr-90) ausgehenden β-Strahlung zeigen.

Versuchsaufbau

Für die Versuche benötigst du ein Strontium-90 Präparat, ein Geiger-Müller-Zählrohr, ein Magnet (z.B. ein Hufeisenmagnet) und verschiedene Abschirmmaterialien wie Papier und Aluminium-Blech. Das Strontium-90 Präparat und das Geiger-Müller-Zählrohr werden in einer Linie aufgebaut, entweder auf einer entsprechenden Aufbauplatte oder einer optischen Bank. Dazwischen werden dann wechselnd Materialien zur Test auf Abschirmung bzw. der Magnet platziert. Auf dem an das Geiger-Müller-Zählrohrs angeschlossenen Zähler werden die Counts in einem beliebigen Zeitraum gemessen.

Versuchsaufbau zur Untersuchung der Strahlung von Strontium-90
Abb.1: Versuchsaufbau zur Untersuchung von Strontium-90 beim Durchgang durch ein homogenes Magnetfeld (Feldrichtung hier von oben nach unten).

Hinweis: Alternativ kann anstelle eines einfachen Digitalzählers auch alternative Zählgeräte mit einstellbarer Messzeit oder solche mit Anzeige der Zählrate über ein angeschlossenes Voltmeter genutzt werden. Dann entfällt der Schritt des Berechnens der Zählrate.

Versuchsdurchführung

Grundsätzlich misst man jeweils die Counts in einer bestimmten Messzeit, zum Beispiel \(t_{\rm{Mess}}=30\,\rm s\). Hieraus kann man jeweils die Zählrate ermitteln, indem man die angezeigten Counts durch die gewählte Messzeit dividiert. Es ist \(\rm{Zählrate}=\frac{\rm{Counts}}{t_{\rm{Mess}}}\).

Verschiedene Untersuchungsaspekte

  1. Einfluss des Abstandes auf die Zählrate
    Die Zählrate wird bei verschiedenen Abständen \(r\) zwischen Präparat und Zählrohr untersucht.
  2. Abschirmung von Strahlung aus Strontium-90 durch eine Alu-Platte
    Abb 2.: Versuch zur Abschirmung
    Abschirmung durch unterschiedliche Materialien
    Bei konstantem Abstand zwischen Präparat und Zählrohr werden verschiedene Materialien zwischen Präparat und Zählrohr platziert. Es wird jeweils die Zählrate mit dem Material bestimmt und mit der Zählrate ohne Material verglichen.
  3. Einfluss eines Magnetfeldes auf die Strahlung von Strontium-90
    In der Verbindungslinie zwischen Präparat und Zählrohr wird ein (homogenes) Magnetfeld erzeugt (Aufbau siehe Abb. 1). Die Auswirkungen auf die Zählrate bei verschiedenen Magnetfeldrichtungen werden untersucht.

Beobachtungen

  1. Bei Luft zwischen Zählrohr und Präparat nimmt die Zählrate mit zunehmendem Abstand \(r\) allmählich ab.
  2. Die Zählrate wird durch ein Blatt Papier zwischen Präparat und Zählrohr kaum zu beeinflussen. Bringt man dagegen ein Aluminiumplättchen (Wanddicke einige Millimeter) zwischen Zählrohr und Präparat, so sinkt die Zählrate stark ab.
  3. Ein Magnetfeld senkrecht zur Verbindungslinie Präparat-Zählrohr reduziert die Zählrate stark. Dabei spielt es keine in welche Richtung das Magnetfeld genau zeigt. Messbeispiel: Zählrate ohne Magnet: 13,07 Counts/s, Zählrate mit Magnet: 8,36 Counts/s

Auswertungen

  1. β-Strahlung wird von Luft nur allmählich absorbiert.
  2. β-Strahlung kann bereits mithilfe von dünnen Aluminiumplatten abgeschirmt werden. Ein Blatt Papier reicht hingegen nicht aus.
  3. β-Strahlung wird von einem Magnetfeld abgelenkt. Aufgrund der relativ hohen spezifischen Ladung (Quotient aus Ladung und Masse des Teilchens) sind die β-Teilchen bereits durch relativ schwache Magnetfelder schon deutlich abzulenken.

β- oder β+-Strahlung?

Versuchsaufbau zur Ladungsbestimmung der Betastrahlung von SR-90
Abb. 3: Versuchsaufbau zur Ladungsbestimmung der Betastrahlung von SR-90

Mithilfe des in Abb. 3 dargestellten Versuchsaufbaus kannst du auch prüfen, ob es sich bei der β-Strahlung von Strontium-90 um β- oder β+-Strahlung handelt. Dazu musst du das Zählrohr je nach Richtung des Magnetfeldes im Versuch nach vorne (in Richtung des Beobachters) oder nach hinten (vom Beobachter weg) verschieben, um wieder eine höhere Zählrate zu erhalten. Im gezeigten Versuchsaufbau muss das Zählrohr hierzu nach vorne verschoben werden. 

Da hierbei die U-V-W-Regel der linken Hand (Daumen: Bewegungsrichtung negativer Ladung; Zeigefinger: Richtung des Magnetfelds von N nach S; Mittelfinger: Richtung der Lorentzkraft) erfüllt werden muss, kannst du feststellen, dass es sich bei der Strahlung von SR-90 um β-Strahlung handelt.

Aufgabe
Aufgabe Strahlung SR-90

Mithilfe des hier skizzierten Versuchsaufbaus kann ebenfalls gezeigt werden, dass es sich bei der β-Strahlung von SR-90 um β--Strahlung gezeigt werden. Erläutere, wo du das Zählrohr platzieren musst, um nach dem Passieren des Magnetfeldes eine möglichst hohe Zählrate zu detektieren.

Lösung

Mit der U-V-W-Regel der linken Hand (Daumen: Bewegungsrichtung der ß--Teilchen; Zeigefinger: Richtung des Magnetfelds von N nach S; Mittelfinger: Richtung der Lorentzkraft) kannst du feststellen, dasss die von rechts kommenden Teilchen durch das aus der Papierebene gerichtete Magnetfeld nach unten abgelenkt werden. Du musst das Zählrohr also leicht niedriger platzieren, um weiter eine hohe Zählrate zu erhalten.

Eigenschaften von β-Strahlung

  • β-Strahlung kann durch Aluminium von wenigen Millimetern Wandstärke bereits vollständig abgeschirmt werden.
  • Die Reichweite der β-Strahlung in Luft beträgt wenige Meter.
  • ß-Strahlung kann bereits durch schwächere Magnetfelder aufgrund ihrer Ladung abgelenkt werden.
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