Radioaktivität - Fortführung

Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Fortführung

  • Wie viel Energie wird bei einem Alpha-Zerfall …
  • … und wie viel bei einem Beta-Zerfall frei?
  • Was versteht man unter dem MÖSSBAUER-Effekt?

Aufbau und Durchführung

Skizze des Aufbaus mit Sr-90-Präparat
mit Ratemeter und Absorber Aluminium
mit Computerinterface (Cassy) und Absorber Plexiglas

Man untersucht die Zählrate (Torzeit z.B. 100s; um Nullrate bereinigt) in Abhängigkeit von der Dicke d des Absorbers. Hinweis: Bei dem benutzten Präparat handelt es sich um ein Sr-90-Präparat. Die energiearmen \(\beta\)-Teilchen des Sr-90 werden allerdings in der Abdeckung des Präparates vollständig absorbiert, daher treten nur die energiereichen \(\beta\)-Teilchen des Tochternuklids Y-90 aus.

Beobachtung

Dicke \(d\;{\rm{in}}\;{\rm{mm}}\) \(0,0\) \(0,2\) \(0,5\) \(0,7\) \(1,0\) \(1,2\) \(1,5\) \(1,7\) \(2,0\)
Zählrate \(R\;{\rm{in}}\;\frac{{\rm{1}}}{{\rm{s}}}\) \(127,2\) \(81,5\) \(51,2\) \(39,9\) \(27,4\) \(19,7\) \(13,8\) \(8,0\) \(3,9\)

Trage die Ergebnisse in einfach logarithmischem Papier auf oder bearbeite das Ergebnis mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (z.B. Excel) entsprechend.

Bestimme die Steigung, die Halbwertsdicke und den Absorptionskoeffizienten α.

Versuchsaufbau:


Man untersucht die Zählrate (Torzeit z.B. 100s) in Abhängigkeit vom Abstand r.

Versuchsergebnis:

Abstand r in cm
5
10
20
25
30
40
70
Zählrate R in 1/s
329
93,0
39,5
20,6
14,7
5,2
1,8

Trage die Ergebnisse in einfach logarithmischem Papier auf oder bearbeite das Ergebnis mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (z.B. Excel) entsprechend.

Bestimme die Steigung und zeige \(R \sim \frac{1}{{{r^2}}}\).

Erläutere, warum man daraus schließen kann , das die harte β-Strahlung des Strontiums im untersuchten Bereich von Luft nur unwesentlich absorbiert wird.

Versuchsaufbau


Man untersucht die Zählrate (Torzeit z.B. 100s) in Abhängigkeit von der Dicke d des Absorbers.

Versuchsergebnis für Eisen:

Dicke d in mm
0
0,5
1,0
2,0
3,0
4,0
Zählrate R in 1/s
540
335
214
90
32
14

Trage die Ergebnisse in einfach logarithmischem Papier auf oder bearbeite das Ergebnis mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (z.B. Excel) entsprechend.

Bestimme die Steigung, die Halbwertsdicke und den Absorptionskoeffizienten α.

Äußerer Versuchsaufbau

Versuchsaufbau Gammaspektrum mit Szintillationszähler
Der äußere Versuchsaufbau ist sehr einfach. Er besteht aus dem abgeschirmten Präparat, das man direkt vor die Natriumiodid-Schicht des Szintillationszählers stellt. Ein Szintillationszähler hat gegenüber der γ-Strahlung eine wesentlich höhere Nachweiswahrscheinlichkeit als z.B. ein Geiger-Müller-Zählrohr. Außderdem gelingt es mit Hilfe des Szintillationszählers, ohne allzu großen Aufwand eine Aussage über die Energie der registrierten γ-Quanten zu machen.

Innerer Versuchsaufbau

Beim Szintillationszähler wird im NaI-Kristall die Energie eines γ-Quants zum Teil in die Energie niederenergetischer Photonen umgesetzt. Diese Photonen lösen an der Photokathode des Sekundärelektronenvervielfachers (SEV) einen Photoeffekt aus. Durch Vervielfachung der primär erzeugten Elektronen im SEV entsteht an seinem Ausgang ein messbarer Strom, der dann weiter verarbeitet werden kann.

Zerfall von Cs-137

Zerfallschema von Cäsium 137
Das Isotop Cs-137 zerfällt beim β-Zerfall in 94,6% aller Zerfälle zunächst in einen angeregten Zustand des Ba-137 Kern. Dieser geht bald darauf unter die Aussendung eines γ-Quants der Energie \(E = 662\,\rm{keV}\) in den stabilen Grundzustand über.

Gamma-Spektrum von Cs-137
Das vom Szintillationszähler gezeigte Spektrum - entnommen der schönen Seite des GGG - zeigt aber nicht nur eine Linie bei \(662\,\rm{keV}\), sondern noch viele andere Energien, die auf andere Wechselwirkung der Strahlung mit dem Szintillationskristall zurückzuführen sind und die im folgenden erläutert werden:

1. Der Photopeak bzw. Full Energy Peak

Das Hauptmaximum bei 662 keV ist ziemlich scharf und wird Photopeak oder auch Full Energy Peak genannt. Dabei wird die Energie des eingestrahlten Photons vollständig durch Fotoeffekt und damit Vernichtung des Photons an den Kristall abgegeben.

2. Die Comptonkante und das Comptonkontinuum

Führt das Photon mit quasifreien Elektronen des Kristalls einen Comptoneffekt durch, so gibt es nicht wie beim Fotoeffekt seine gesamte Energie an den Kristall ab, sondern einen Teil der Energie. Den Rest der Energie trägt das Photon fort. Die abgegebene Energie ist nach der Comptonformel abhängig vom Streuwinkel und bildet im Spektrum das Comptonkontinuum mit einer scharfen Kante an der energiereichen Seite, die zu einem Streuwinkel von 180° gehört.

Zeige, dass die beim COMPTON-Effekt abgegebene Energie sich nach
\[{E_{\rm{C}}} = {E_{{\rm{Ph}}}} - \frac{{{E_{{\rm{Ph}}}}}}{{1 + \frac{{{E_{{\rm{Ph}}}}}}{{{E_{{\rm{e}}{\rm{,0}}}}}} \cdot \left( {1 - \cos \left( \vartheta  \right)} \right)}}\]
berechnet und bestimme die Energie der COMPTON-Kante.

3. Der Rückstreupeak

Führt das Photon mit Elektronen außerhalb des Kristalls, z.B. an der Rückwand der Präparathalterung Comptoneffekt durch und gelangt dieses Comptonphoton in den Szintillationskristall, so gibt es dort seine Energie oft wieder mittels Photoeffekt ab. Dadurch ensteht bei dieser Energien nochmals ein etwas flacherer Peak.

Bestimme die Energien des COMPTON-Photons für Streuwinkel von 120° bis 180°.

4. Die K-Linien

Da bei den Aufnahmen des Spektrums Bleiabschirmung verwendet werden, ist im niederenergetischen Bereich zusätzlich die Röntgenfluoreszenzlinie von Blei zu sehen. Die Kα und die Kβ-Linie können dabei im Spektrum nicht aufgelöst werden, da sie zu dicht beisammen liegen.

Spektren weiterer Strahler finden sie auf der Seite "weitere Gammaspektren".

Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau besteht aus dem abgeschirmten Präparat, das man direkt vor die NaJ-Schicht des Szintillationszählers stellt. Dort wird die im NaJ - abgegebene Energie jedes γ-Quant proportional in einem der Registrierspeicher gezählt, deren Inhalt am Bildschirm ausgegeben werden kann.

Gamma-Spektrum von Co-60

Das Isotop Co-60 zerfällt beim β-Zerfall in 99,9% aller Zerfälle zunächst in einen angeregten Zustand des Ni-60 Kern. Dieser geht bald darauf unter Aussendung zweier γ-Quanten der Energien 1173 keV und 1333 keV in den Grundzustand über.

Das vom Szintillationszähler gezeigte Spektrum, entnommen der schönen Seite des GGG, zeigt diese zwei Fotopeaks, sowie Comptongebirge mit Comptonkante und Rückstreupeak sowie K-Linien.

Gamma-Spektrum von Na-22

Das Isotop Na-22 zerfällt beim β+-Zerfall bzw einen EC-Prozess zunächst in einen angeregten Zustand des Ne-22 Kern. Dieser geht bald darauf unter Aussendung eines γ-Quants der Energien 1275 keV in den Grundzustand über.

Das Spektrum - wieder vom GGG - zeigt den Fotopeak zur γ-Energie von 1275 keV und den sogenannten Vernichtungspeak. Bei der Paarvernichtung des entstehenden Positrons mit einem Elektron entstehen zwei Photonen mit jeweils 511 keV Energie. Von diesen wird meist nur eins registriert, das andere verschwindet.

Analyse von kontaminiertem Steinpilz-Pulver

Das untere Spektrum - wieder vom GGG - zeigt die Analyse von Steinpilzpulver, welches im Jahr nach dem Tschernobyl-Reaktor-Unfall in einem polnischen Lebensmittelladen gekauft wurde. Selbst ohne Subtraktion des Nulleffektes und mit einer relativ geringen Meßdauer von etwa 5 Minuten erkennt man die erhebliche Kontamination mit Cs-137, welche durch das Vergleichsspektrum mit einem Cs-Schulpräparat (oberes Spektrum) bestätigt wird.

Analyse von Pechblende (Uranerz)

Auch ein Stück Pechblende (Uranerz), wie es in älteren Physik-Sammlungen noch manchmal zu finden ist, kann analysiert werden (Spektren vom GGG). Deutlich sind einige Zerallsaktivitäten von Radium und seinen Tochternukliden zu erkennen.

 

Zur Untersuchung der Gamma-Spektren radioaktiver Präparate werden häufig Szintillationszähler verwendet. Die folgende Animation zeigt den schematischen Aufbau und - stark vereinfacht - die Funktionsweise des Szintillationszählers.

  • Die in den gelb gezeichneten Szintillationskristall eindringende radioaktive Strahlung (rote Farbe) löst im Kristall Lichtblitze aus. Die Lichtquanten sind mit grüner Farbe dargestellt.
  • Die Lichtquanten lösen an der Fotokathode des Multipliers Elektronen aus, die in blauer Farbe dargestellt sind.
  • Durch die von außen angelegte Spannung werden die von der Fotokathode ausgelösten Elektronen zur ersten Elektrode (Dynode) des Multipliers rechts oben beschleunigt.
  • An dieser Elektrode schlagen den Elektronen weitere Elektronen heraus (Elektronenvervielfachung).
  • Der "Elektronenschwarm" wird zur nächsten Elektrode (in der Zeichnung: unten Mitte) aufgrund der äußeren Spannung beschleunigt. Dort werden weitere Elektronen herausgeschlagen usw.
  • Schließlich kommt durch die fortgesetzte Elektronenvervielfachung an dem grau gezeichneten Auffänger eine Elektronenlawine an, die durch den Zähler mit Impushöhenanalysator nachgewiesen werden kann.

Aufbau und Durchführung

Man befestigt das abgeschirmte ß-Präparat 90Sr vor dem rechteckigen Magnetfeld eines Elektromagneten und untersucht mit dem Zählrohr die Strahlung, die 90° mit einem festen Radius r abgelenkt wird.
Zur Bestimmung der Zählrate verwendet man entweder das Interface "Cassy" (siehe Foto oben ) und misst für jedes eingestellte Magnetfeld, jeweils die Zeit, bis 1000 Impulse gezählt wurden, oder man verwendet das Ratemeter und bestimmt die Zählrate mit der Mittelwertanzeige am angeschlossenen Amperemeter oder mittels einer vorgegebenen Torzeit von z.B. 100 s. (Siehe Skizze unten)
Das Magnetfeld bestimmt man am besten mit der vorher kalibrierten Hallsonde eines Teslameters.


Beobachtung (Nulleffekt bereinigt) mit r = 35mm:

B in Vs/m²
0,000
0,030
0,060
0,090
0,120
0,150
0,180
0,210
0,245
R in 1/s
11,52
35,01
83,60
128,53
129,25
97,87
56,28
25,58
11,97

Auswertung

  1. Zeichne z.B. mit einer Tabellenkalkulation ein B-R-Diagramm.

  2. Bestimme Ekin,e in Abhängigkeit von B und zeichne ein Ekin,e-R-Diagramm.

  3. Die Theorie sagt, dass das Betaspektrum kontinuierlich ist, mit einer maximalen Energie, die dem Q-Wert des Zerfalls entspricht (siehe Termschema) und einem Maximum der Zählrate bei einem Drittel dieses Wertes. Bestimme diese Werte unter der Voraussetzung, dass nur der Sekundärzerfall von 90Y zu sehen ist, da der Zerfall von 90Sr nach 90Y laut Katalogangabe durch entsprechende Abschirmung nicht zu sehen ist.

 

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