Radioaktivität - Einführung

Kern-/Teilchenphysik

Radioaktivität - Einführung

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

Alphazerfall

1 Alphazerfall eines \({}_{88}^{224}{\rm{Ra}}\)-Kerns in einen \({}_{86}^{220}{\rm{Rn}}\)-Kern und ein Alphateilchen (\({}_{4}^{2}{\rm{He}}\)-Kern)

Der Alphazerfall (kurz: \({\rm{\alpha }}\)-Zerfall) tritt bei instabilen Nukliden auf, bei denen die Kernkräfte die abstoßenden Kräfte der Protonen untereinander nicht vollständig aufheben können. Der Kern hat deshalb das Bestreben, in einen stabileren Zustand überzugehen. Dazu formiert sich im Atomkern ein Helium-4-Atomkern (kurz: \({}_2^4{\rm{He}}\) oder \(\rm{\alpha }\)), ein sogenanntes Alphateilchen. Das Alphateilchen kann zwar klassisch das Potential der starken Wechselwirkung nicht überwinden, verlässt den Mutterkern jedoch mittels des Tunneleffekts mit einer Anfangsgeschwindigkeit von etwa \(15000 - 20000\frac{{{\rm{km}}}}{{\rm{s}}}\). Den Strom von aus vielen Kernen ausgesandten Alphateilchen bezeichnet man auch als Alphastrahlung (kurz: \(\rm{\alpha }\)-Strahlung) .

Nach dem Ausstoß des Alphateilchens verbleibt der Atomkern unter Umständen in einem angeregten Zustand. Der Übergang in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung (Gammaübergang) verbunden.

Beim Alphazerfall nimmt die Massenzahl um vier Einheiten und die Kernladungszahl um zwei Einheiten ab; die Reaktionsgleichung lautet demnach\[{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{{\rm{Z - 2}}}^{{\rm{A - 4}}}{\rm{Y}} + {}_{\rm{2}}^{\rm{4}}{\rm{He}}\;\;\;{\rm{oder}}\;\;\;{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{{\rm{Z - 2}}}^{{\rm{A - 4}}}{\rm{Y}} + {\rm{\alpha }}\]

Die ausgesandten Alphateilchen nehmen aus der Umgebung zwei Elektronen auf, wodurch Heliumatome entstehen.

Beispiel: Das in der Natur vorkommende Isotop Radium-224 wandelt sich unter Aussendung eines Alphateilchens in das Isotop Radon-220 um: \(_{{\rm{88}}}^{{\rm{224}}}{\rm{Ra}}\mathop  \to \limits^{\rm{\alpha }} {}_{86}^{220}{\rm{Rn}} + _{\rm{2}}^{\rm{4}}{\rm{He}}\); die dabei frei werdende Energie beträgt \(6,288{\rm{MeV}}\).

Alphastrahlung

Beobachtet man Alphastrahlung in einer Nebelkammer, so kann man dicke, gleich oder fast gleich lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind durch Magnetfelder schwach ablenkbar, die Ablenkung geschieht in die gleiche Richtung wie bei positiven Ladungsträgern.

  • Die Tatsache, dass die Spuren dick sind, deutet auf ein hohes Ionisierungsvermögen von Alphastrahlung hin. Der \(q\)-Faktor von Alphastrahlung ist \(20\).

  • Die Tatsache, dass die Spuren gleich oder fast gleich lang sind, deutet darauf hin, dass die bei einem speziellen Zerfallsprozess entstehenden Alphateilchen gleich oder fast gleich große Energien haben.

  • Die Tatsache, dass die Spuren durch Magnetfelder wie positiv geladene Teilchen schwach ablenkbar sind, deuten darauf hin, dass die Alphateilchen positiv geladen sind und eine relativ große Masse besitzen.

Radionuklid Energie der Alphateilchen
in \(\rm{MeV}\)
Rn-222 \(5,5\) ; ...
Ra-226 \(4,8\) ; \(4,6\) ; ...
U-238 \(4,2\) ; ...
Pu-239 \(5,2\) ; \(5,1\) ; ...

Die beim Alphazerfall entstehenden Alphateilchen können je nach Zerfallsprozess aber unterschiedliche Energie haben. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Energie der Alphateilchen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Muskelgewebe Aluminium
\(1\) \(0,3\rm{cm}\) \(4{\rm{\mu m}}\) \(2{\rm{\mu m}}\)
\(3\) \(1,6\rm{cm}\) \(16{\rm{\mu m}}\) \(11{\rm{\mu m}}\)
\(4\) \(2,5\rm{cm}\) \(31{\rm{\mu m}}\) \(16{\rm{\mu m}}\)
\(6\) \(4,6\rm{cm}\) \(56{\rm{\mu m}}\) \(30{\rm{\mu m}}\)
\(8\) \(7,4\rm{cm}\) \(91{\rm{\mu m}}\) \(48{\rm{\mu m}}\)
\(10\) \(10,6\rm{cm}\) \(130{\rm{\mu m}}\) \(67{\rm{\mu m}}\)

Die Reichweite von Alphastrahlung hängt sowohl von der Energie der Alphateilchen als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die mittlere Reichweite von Alphateilchen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von der Energie der Alphateilchen.

Alphastrahlung kann bereits von einem Blatt Papier fast völlig abgeschirmt werden.

Beta-Minus-Zerfall

1 Beta-Minus-Zerfall (eigentlich Beta-Minus-Umwandlung) eines \({}_{82}^{214}{\rm{Pb}}\)-Kerns in einen \({}_{83}^{214}{\rm{Bi}}\)-Kern unter Aussendung eines Elektrons und eines Elektron-Anti-Neutrinos

Der Beta-Minus-Zerfall (kurz: \({\rm{\beta^- }}\)-Zerfall) tritt bei instabilen Nukliden mit hoher Neutronenzahl und verhältnismäßig geringer Protonenzahl auf. Beim Beta-Minus-Zerfall erreicht der Kern eine stabilere Kernkonfiguration, indem sich ein Neutron in ein Proton, ein Elektron und ein (Anti-Elektron-)Neutrino umwandelt und dieses Elektron mit einer Geschwindigkeit zwischen Null und nahezu Lichtgeschwindigkeit aussendet. Das aus dem Kern geschleuderte Elektron stammt also nicht aus der Atomhülle, sondern entsteht neu im Kern. Die ausgesandten Elektronen werden Beta-Minus-Teilchen (kurz: \({{\rm{\beta }}^ - }\)) genannt, als Teilchenstrom bilden sie dann die Beta-Minus-Strahlung (kurz: \({{\rm{\beta }}^ - }\)-Strahlung).

Beim Beta-Minus-Zerfall wird außerdem ein weiteres Teilchen ausgesandt, das keine Ruhemasse und keine elektrische Ladung besitzt. Bei der Umwandlung des Neutrons in ein Proton und ein Elektron entsteht zusätzlich ein sogenanntes Anti-Elektron-Neutrino \({{{\rm{\bar \nu }}}_{\rm{e}}}\). Alle Neutrinos besitzen ein großes Durchdringungsvermögen, weil sie mit Materie kaum in Wechselwirkung treten, und sind deshalb schwer nachzuweisen.

Nach dem Ausstoß des Beta-Minus-Teilchens und des Anti-Elektron-Neutrinos verbleibt der Atomkern unter Umständen in einem angeregten Zustand. Der Übergang in den Grundzustand ist mit dem Aussenden von Gammastrahlung (Gammaübergang) verbunden.

Beim Beta-Minus-Zerfall nimmt die Kernladungszahl um eine Einheit zu, während die Massenzahl unverändert bleibt; die Reaktionsgleichung lautet demnach\[{}_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}}\mathop  \to \limits^{{{\rm{\beta }}^ - }} {}_{{\rm{Z + 1}}}^{\rm{A}}{\rm{Y}} + {}_{{\rm{ - 1}}}^{\rm{0}}{\rm{e}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{{\rm{\bar \nu }}_{\rm{e}}}\]

Beta-Minus-Strahlen bilden einen Elektronenstrom, der die gleichen Eigenschaften zeigt wie der elektrische Strom in metallischen Leitern.

Beispiel: Das in der Natur vorkommende Isotop Blei-214 wandelt sich unter Aussendung eines Beta-Minus-Teilchens (Elektron) und eines Anti-Elektron-Neutrinos in das Isotop Wismut-214 um: \({}_{{\rm{82}}}^{{\rm{214}}}{\rm{Pb}}\mathop  \to \limits^{{{\rm{\beta }}^ - }} {}_{{\rm{83}}}^{{\rm{214}}}{\rm{Bi}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{{\rm{\bar \nu }}_{\rm{e}}}\); die dabei frei werdende Energie beträgt \(1,019{\rm{MeV}}\).

Beta-Minus-strahlung

Beobachtet man Beta-Minus-Strahlung in einer Nebelkammer, so kann man dünne, unterschiedlich lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind durch Magnetfelder stark ablenkbar, die Ablenkung geschieht in die gleiche Richtung wie bei negativen Ladungsträgern.

  • Die Tatsache, dass die Spuren dünn sind, deutet auf ein niedriges Ionisierungsvermögen von Beta-minus-Strahlung hin. Der \(q\)-Faktor von Beta-Minus-Strahlung ist 1.

  • Die Tatsache, dass die Spuren unterschiedlich lang sind, deutet darauf hin, dass die bei einem speziellen Zerfallsprozess entstehenden Elektronen unterschiedlich große Energien haben können.

  • Die Tatsache, dass die Spuren durch Magnetfelder wie negativ geladene Teilchen stark ablenkbar sind, deuten darauf hin, dass die Beta-Minus-Teilchen negativ geladen sind und eine relativ kleine Masse besitzen.

Radionuklid Maximalenergie der Beta-Minus-Teilchen
in \(\rm{MeV}\)
H-3 \(0,018\)
Co-60 \(0,3\) ; \(1,5\)
Pb-210 \(0,02\) ; \(0,06\)
Bi-214 \(1,5\) ; \(3,3\) ; ...

Die beim Beta-Minus-Zerfall entstehenden Elektronen können je nach Zerfallsprozess aber Energien in unterschiedlichen Größenordnungen haben. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Maximalenergie der Elektronen bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen. Die mittlere Energie ist dabei ungefähr ein Drittel der Maximalenergie.

Teilchenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Reichweite in
Luft Körpergewebe Aluminium
\(0,01\) \(0,003\rm{m}\) \(0,0025{\rm{mm}}\) \(0,009{\rm{mm}}\)
\(0,1\) \(0,10\rm{m}\) \(0,16{\rm{mm}}\) \(0,050{\rm{mm}}\)
\(0,5\) \(1,20\rm{m}\) \(1,87{\rm{mm}}\) \(0,60{\rm{mm}}\)
\(1,0\) \(3,06\rm{m}\) \(4,75{\rm{mm}}\) \(1,52{\rm{mm}}\)
\(2\) \(7,10\rm{m}\) \(11,1{\rm{mm}}\) \(4,08{\rm{mm}}\)
\(5\) \(19,0\rm{m}\) \(27,8{\rm{mm}}\) \(9,9{\rm{mm}}\)
\(10\) \(39,0\rm{m}\) \(60,8{\rm{mm}}\) \(19,2{\rm{mm}}\)
\(20\) \(78\rm{m}\) \(123{\rm{mm}}\) \(39,0{\rm{mm}}\)

Die Reichweite von Beta-Minus-Strahlung hängt sowohl von der Energie der Elektronen als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die mittlere Reichweite von Elektronen in verschiedenen Materialien in Abhängigkeit von der Energie der Elektronen.

Beta-Minus-Strahlung kann bereits von 15 Blatt Papier oder \(4\rm{mm}\) Aluminium fast völlig abgeschirmt werden.

1 Gammaübergang eines angeregten \({}_{84}^{218}{\rm{Po}}\)-Kerns in den Grundzustand unter Aussendung eines Gammaquants
Gammaübergang

Der Gammaübergang (kurz: \({\rm{\gamma }}\)-Übergang) tritt bei praktisch allen Kernumwandlungen auf. Nach der Kernumwandlung wie z.B. dem Alpha- oder dem Beta-Minus-Zerfall verbleibt der Atomkern meist in einem angeregten Zustand; die noch vorhandene überschüssige Energie gibt er in Form eines oder mehrerer Gammaquanten ab. Abgesehen von der Art des Entstehens sind die Gammaquanten praktisch identisch mit den RÖNTGEN-Quanten. Die Gammaquanten bewegen sich mit einer konstanten Geschwindigkeit \(c = 299792458\frac{{\rm{m}}}{{\rm{s}}}\), der Vakuumlichtgeschwindigkeit. Den Strom von aus Gammaquanten bezeichnet man auch als Gammastrahlung (kurz: \(\rm{\gamma }\)-Strahlung) .

Beim Gammaübergang ändert sich weder die Massenzahl noch die Kernladungszahl; der Atomkern verliert lediglich Energie und geht von einem höheren in einen niedrigeren Energiezustand über. Die Reaktionsgleichung lautet\[_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{{\rm{X}}^*}\mathop  \to \limits^{\rm{\gamma }} \;_{\rm{Z}}^{\rm{A}}{\rm{X}} + _{\rm{0}}^{\rm{0}}{\rm{\gamma }}\]

Beispiel: Ein energiereicherer, angeregter, sogenannter metastabiler Bariumkern gibt ein Gammaquant ab und geht dadurch in einen niedrigeren und gleichzeitig stabileren Energiezustand über: \({}_{{\rm{56}}}^{{\rm{137}}}{\rm{B}}{{\rm{a}}^*}\mathop  \to \limits^{\rm{\gamma }} {}_{{\rm{56}}}^{{\rm{137}}}{\rm{Ba}} + {}_{\rm{0}}^{\rm{0}}{\rm{\gamma }}\); die dabei in Form des Gammaquants frei werdende Energie beträgt \(0,662{\rm{MeV}}\).

Gammastrahlung

Beobachtet man Gammastrahlung in einer Nebelkammer, so kann man dünne, lange Spuren beobachten. Diese Spuren sind nicht durch Magnetfelder ablenkbar.

  • Die Tatsache, dass die Spuren dünn sind, deutet auf ein niedriges Ionisierungsvermögen von Gammastrahlung hin. Der \(q\)-Faktor von Gammastrahlung ist \(1\).

  • Die Tatsache, dass die Spuren gleich oder fast gleich lang sind, deutet darauf hin, dass die bei einem speziellen Gammaübergang entstehenden Gammaquanten gleich oder fast gleich große Energien haben.

  • Die Tatsache, dass die Spuren nicht durch Magnetfelder ablenkbar sind, deuten darauf hin, dass die Gammaquanten nicht geladen sind.

Radionuklid Umwandlungsart Energie der häufigsten Gammaquanten
in \(\rm{MeV}\)
Be-7 K-Einfang \(0,478\)
N-16 Beta-Minus-Zerfall \(6,129\) ; \(7,115\) ; ...
Na-22 Beta-Plus-Zerfall \(1,275\)
Ba-137m Gammaübergang \(0,662\)
U-235 Alpha-Zerfall \(0,186\) ; ...

Gammastrahlung kann je nach Zerfallsprozess unterschiedliche Energie haben. Die rechtsstehende Abbildung zeigt die Energie der häufigsten Gammaquanten bei verschiedenen, häufig auftretenden Zerfallsprozessen.

Quantenenergie
in \(\rm{MeV}\)
Materialschichtdicke zur Intensitätsverringerung auf 50%
Wasser Beton Eisen Blei
\(0,1\) \(4,15\rm{cm}\) \(1,75\rm{cm}\) \(0,257\rm{cm}\) \(0,0118\rm{cm}\)
\(0,5\) \(7,18\rm{cm}\) \(3,41\rm{cm}\) \(1,06\rm{cm}\) \(0,422\rm{cm}\)
\(1\) \(9,85\rm{cm}\) \(4,66\rm{cm}\) \(1,47\rm{cm}\) \(0,893\rm{cm}\)
\(5\) \(23,1\rm{cm}\) \(10,3\rm{cm}\) \(2,82\rm{cm}\) \(1,43\rm{cm}\)
\(10\) \(31,6\rm{cm}\) \(12,9\rm{cm}\) \(3,02\rm{cm}\) \(1,21\rm{cm}\)
\(100\) \(40,2\rm{cm}\) \(12,5\rm{cm}\) \(2,10\rm{cm}\) \(0,642\rm{cm}\)

Die Reichweite von Gammastrahlung hängt sowohl von der Energie der Gammaquanten als auch von dem Material ab, in dem sie sich bewegen. Die rechtsstehende Tabelle zeigt die Materieschichtdicke, die bei verschiedenen Materialien nötig ist, um die Intensität von Gammastrahlung unterschiedlicher Energie auf die Hälfte zu verringern.

Gammastrahlung kann nur von äußerst dicken Bleischichten wirkungsvoll abgeschirmt werden.

  α-Strahlung β--Strahlung γ-Strahlung
Identität Heliumkerne Elektronen elektromagnetische Strahlung
Geschwindigkeit ca. 10% von c ca. 90% von c Lichtgeschwindigkeit c
Ladung +2e -e ---
Ablenkbarkeit im
Magnetfeld
nur schwer ablenkbar
(relativ kleine spez. Ladung)
leicht ablenkbar
(relativ hohe spez. Ladung)
nicht ablenkbar
Spezifisches
Ionisationvermögen 1)
sehr hoch mittel gering
Reichweite in Luft einige Zentimeter einige Meter sehr weit
Abschirmung
möglich durch:
Papier einige Millimeter dickes Aluminium Blei
Energiespektrum

diskret

kontinuierlich

diskret

Vorgang im Kern Zwei Neutronen und zwei Protonen bilden ein α-Teilchen, das emittiert wird Ein Kernneutron wandelt sich in ein Kernproton und ein Elektron das emittiert wird. 2) Kern geht von angeregtem Zustand in einen niederenergetischen Zustand

Beispiel für Zerfallsgleichung

 

\[{}_{88}^{224}{\rm{Ra}} \to {}_{86}^{220}{\rm{Rn}} + {}_2^4{\rm{He}}\]
\[{}_{82}^{214}{\rm{Pb}} \to {}_{83}^{214}{\rm{Bi}} + {}_{ - 1}^0{\rm{e}} + {}_0^0 \bar {\rm{\nu_e}} \]
\[_{84}^{218}{\rm{P}}{{\rm{o}}^*} \to _{84}^{218}{\rm{Po}} + _0^0{\rm{\gamma }}\;{\;^{3)}}\]

1) Gibt an, wie viel Elektron-Ion-Paare pro Längeneinheit gebildet werden. Das spezifischen Ionisationsvermögen von α-Strahlung, β-Strahlung und γ-Strahlung verhält sich ungefähr wie 104 : 102 : 1.
2) Dabei entsteht noch ein Anti-Elektron-Neutrino
3) Man spricht besser nicht vom Gammazerfall sondern vom Gammaübergang.

1 Ionisierung von Gasatomen durch ionisierende Strahlung am Beispiel des Durchflugs eines \(\alpha\)-Teilchens

Ein \(\alpha\)- oder \(\beta\)-Teilchen bzw. ein \(\gamma\)-Quant trifft auf ein Gas aus elektrisch neutralen (grünen) Molekülen. Dabei tritt es mit einigen Gasmolekülen auf Grund seiner Ladung bzw. Energie in Wechselwirkung und macht aus ihnen ein Elektron (blau) - Ionen (rot) - Paar.

Je nach Strahlungsart unterscheidet sich dabei allerdings, wie viele der elektrisch neutralen Moleküle beim Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke ionisiert werden. So gibt ein \(\alpha\)-Teilchen nahezu kontinuierlich Energie an die Moleküle in seiner Umgebung ab und ionisiert diese Moleküle. So ionisieren \(\alpha\)-Teilchen sehr viele Moleküle auf einer sehr kurzen Strecke (vgl. Abb. 1).

Auch \(\beta\)-Teilchen ionisieren Moleküle längs ihres Weges. Jedoch ionisieren \(\beta\)-Teilchen im Vergleich mit \(\alpha\)-Teilchen wenigier Moleküle beim Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke.

\(\gamma\)-Quanten ionisieren hingegen nicht laufend auf ihrem Weg Moleküle. Im Vergleich mit \(\alpha\)- und \(\beta\)-Teilchen ionisieren \(\gamma\)-Quanten beim Durchlaufen einer bestimmten Wegstrecke deutlich weniger Moleküle. Die Ionisation findet dabei  über einen der folgenden drei Prozesse statt: Photoeffekt, Compton-Effekt oder Paarbildung. Entsprechend haben \(\gamma\)-Quanten eine große Reichweite in Materie.

Das Wichtigste auf einen Blick

Die 5 "A"s des Strahlenschutzes:

Abstand erhöhen!

Aufenthaltsdauer verkürzen!

Aktivität vermindern!

Abschirmung verstärken!

Aufnahme in den Körper vermeiden !

Räume und Behälter, in denen radioaktive Substanzen gelagert sind, müssen mit einem Gefahrenschild für Radioaktivität gekennzeichnet sein.

Personen, welche in kerntechnischen Anlagen beschäftigt sind, tragen ein sogenanntes Personendosimeter, welches die Dosis, der sie ausgesetzt sind, misst.

Für den Schutz vor den schädlichen Folgen ionisierender Strahlung gibt es allgemeine Regeln. Etwas vergröbert wird dies mit der Regel der 5 "A"s zusammengefasst:

1 Abhängigkeit der Äquivalentdosis vom Abstand zwischen Strahler und Person
Abstand erhöhen!

Mit zunehmendem Abstand sinkt die Dosis, die bei einer Person durch eine radioaktive Quelle in einer bestimmten Zeit bewirkt wird. Die Animation in Abb. 1 zeigt dies für einen punktförmig angenommenen Strahler, dessen Strahlung eine sehr hohe Reichweite besitzt.

Hinweis: Manche Strahlungsarten (z.B. α-Strahlung, energiearme β-Strahlung) haben in Luft eine relativ kurze Reichweite, so dass bei genügend hohem Abstand von einer solchen Strahlungsquelle überhaupt keine Schädigung einer Person zu befürchten ist.

Aufenthaltsdauer verkürzen!

2 Abhängigkeit der Äquivalentdosis von der Zeit, die eine Person einem Strahler ausgesetzt ist

Die Animation in Abb. 2 veranschaulicht, wie sich die bewirkte Dosis mit der Aufenthaltsdauer erhöht.

Die Arbeitszeit von Beschäftigten in kerntechnischen Anlagen, die erhöhter Strahlung ausgesetzt sind, wird streng überwacht, damit zu lange Aufenthaltsdauern in gefährdeten Bereichen vermieden werden.

Aktivität vermindern!

3 Abhängigkeit der Äquivalentdosis von der Aktivität des Strahlers, dem eine Person ausgesetzt ist

Die Animation in Abb. 3 veranschaulicht, wie sich die bewirkte Dosis mit der Aktivität der Quelle erhöht.

Abschirmung verstärken!

4 Abhängigkeit der Äquivalentdosis vom Absorbermaterial, das sich zwischen Strahler und Person befindet

Die Animation in Abb. 4 veranschaulicht, wie eine gute Abschirmung die bewirkte Dosis verringert.

Beispiel Zahnarzt: Dentalschürze aus Bleigummi zum Schutz des Körpers bei Zahnaufnahmen.
Beispiel "Heiße Zelle": Beim Manipulieren mit radioaktiven Produkten ist der Experimentator durch dicke Bleiwände und Bleiglas geschützt.

Aufnahme in den Körper vermeiden!

Durch die Aufnahme radioaktiv verseuchter Nahrung und Luft (Inkorporation) kann es zu erheblichen Strahlenschäden kommen.

Beispiele für Konsequenzen

Bei Versuchen mit radioaktiven Stoffen soll man sich bei Versuchsende sofort die Hände waschen. Essen, Trinken und Rauchen ist während des Versuchs verboten.

Obwohl die Reaktorkatastrophe von Tschernobyl schon Jahrzehnte zurückliegt, zeigen manche Pilzsorten und Wildfleisch noch erhöhte Aktivität. Ihr Verzehr ist jedoch nur bei sehr großen Mengen bedenklich.

Die 5 "A"s des Strahlenschutzes

Abstand erhöhen!

Aufenthaltsdauer verkürzen!

Aktivität vermindern!

Abschirmung verstärken!

Aufnahme in den Körper vermeiden !

"Spektren sind wie Fingerabdrücke der Atome"

Diese Aussage gilt in der Atomphysik, seit KIRCHHOFF und BUNSEN die Spektralanalyse etabliert haben. Wie kann man aber Objekte der Kernphysik identifizieren, die gar keine Atome sind? Solche Objekte weisen keine Atomhülle auf, in der die charakteristischen Übergänge mit Photonenemission stattfinden.

"Die q/m-Werte sind wie Fingerabdrücke der Teilchen"

Ähnlich eindeutig wie die Emissions- bzw. Absorptionsspektren in der Atomphysik, gibt der präzise Wert der spezifischen Ladung (Verhältnis von Teilchenladung zur Teilchenmasse, kurz: q/m) eines Teilchens in der Kernphysik Auskunft über die Identität der Teilchen.

Identifizierung der β-Strahlung

Bei der negativ geladenen β-Strahlung lag die Vermutung nahe, dass es sich bei dieser Strahlung um schnelle Elektronen handelt. Eine genaue Messung der q/m-Werte der β-Strahlung gelang u.a. Alfred BUCHERER (1863 - 1927). Er stellte fest, dass die spezifische Ladung der β-Teilchen höchst genau mit der spezifischen Ladung der Elektronen übereinstimmt. Er zog daraus den Schluss: β-Teilchen sind Elektronen.

Um die Vorgehensweise von BUCHERER genau verstehen zu können, benötigst du Kenntnisse, die du erst in der Oberstufe erwerben kannst. Es soll hier nur grob die Versuchsanordnung von BUCHERER vorgestellt werden.

Der β-Strahler sitzt im Inneren eines Plattenkondensators, in dem ein elektrisches und ein magnetisches Feld herrscht. Der β-Strahler sendet unterschiedlich schnelle Teilchen aus. Nur Teilchen mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit können den Kondensator unabgelenkt verlassen und die Blenden passieren.

Erläutere, welche Kräfte auf das β-Teilchen β1 im Kondensator wirken und zeichne diese in die Skizze ein.

Nach dem Verlassen des Kondensators gelangen die β-Teilchen in ein homogenes Magnetfeld, welches hier in die Papierebene gerichtet ist.

Erläutere, welche Kraft auf das β-Teilchen β2 wirkt und zeichne diese in die Skizze ein. Gib an, welche Bahnart dieses Teilchen durchläuft.

Aus den Stärken des elektrischen und magnetischen Feldes und den Abmessungen der Anordnung und der Lage des Auftreffpunktes der β-Teilchen am Schirm konnte Bucherer die spezifische Ladung der β-Teilchen bestimmen und die Übereinstimmung mit dem q/m-Wert für Elektronen zeigen. Für langsame bzw. ruhende Elektronen gilt
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\beta } =  - 1,8 \cdot {10^{11}}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]

Identifizierung der α-Strahlung

Aus der Reichweite der α-Strahlung in Luft kann man auf die Energie und damit auf die Geschwindigkeit der α-Teilchen schließen. Misst man zusätzlich den Radius \(r\) der α-Teilchenbahnen in einem starken Magnetfeld bekannter Stärke, so lässt sich die spezifische Ladung der α-Teilchen berechnen:
\[{\left( {\frac{q}{m}} \right)_\alpha } = 4,8 \cdot {10^7}\frac{{{\rm{As}}}}{{{\rm{kg}}}}\]
Für diesen so bestimmten Wert (der vom Betrag her wesentlich kleiner ist als derjenige der Elektronen) kommen nur Ionen wie He++, Li+++ usw. in Frage. Mit den heutigen extrem genauen Messmethoden könnte man klar entscheiden, dass nur He++ in Frage kommt. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts war die Messtechnik noch nicht so fortgeschritten. Jedoch konnten RUTHERFORD und ROYDS durch einen trickreichen Versuch eindeutig zeigen, dass es sich bei der α-Strahlung um ("nackte") Heliumkerne handelt.

4 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs von RUTHERFORD und ROYDS zur Identifizierung von Alpha-Teilchen als Helium-Kerne
Der Versuch von RUTHERFORD und ROYDS (vereinfachte Darstellung)

In einem hauchdünnen Kapillarrohr (Wandstärke ca. 1/100 mm) befindet sich der gasförmige Alpha-Strahler Radon. Die α-Teilchen durchdringen das Kapillarrohr und gelangen in das Innere eines hochevakuierten Glaskolbens. An der Wand des Kolbens werden die α-Teilchen neutralisiert. Nach einiger Zeit (z.B. nach sechs Tagen) sind genügend Teilchen in dem Volumen, welches durch das verschiebliche Quecksilber noch verkleinert wird. Zündet man zwischen den Elektroden eine Entladung, so kann man mit einem Spektroskop das typische Helium-Spektrum beobachten.

Fazit: Durch einen geschickten Versuch konnten RUTHERFORD und ROYDS die α-Teilchen als ("nackte") Heliumkerne identifizieren.

Hinweis: Wenn du deine Englischkenntnisse erweitern und einen Eindruck darüber bekommen willst, wie neue wissenschaftliche Errungenschaften publiziert werden, kannst du unter der Adresse http://web.lemoyne.edu/~giunta/royds.html die Originalarbeit von RUTHERFORD und ROYDS nachlesen. Dort ist auch die reale Versuchsanordnung skizziert.

Identifizierung der γ-Strahlung

Wie die Röntgenstrahlung ist die γ-Strahlung auch durch stärkste elektrische und magnetische Felder nicht ablenkbar. Dies deutet darauf hin, dass sie nicht Träger einer elektrischen Ladung ist.

Die γ-Strahlung besitzt ähnlich wie die Röntgenstrahlung nur eine geringe spezifische Ionisationsfähigkeit (Aussage darüber, wie viele Elektron-Ion-Paare pro Strecke gebildet werden) und daher eine sehr große Reichweite.

Die direkte Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von γ-Strahlung ergab die Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Diese Befunde lassen den Schluss zu, dass es sich bei der γ-Strahlung um hochenergetische Photonen handelt (extrem kurzwellige elektromagnetische Strahlung).

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Ein Geiger-Müller-Zählrohr (umgangssprachlich häufig Geigerzähler genannt) ist ein robustes Nachweisgerät für ionisierende Strahlung.
  • Mit Geiger-Müller-Zählrohren können \(\alpha\)- und \(\beta\)-Strahlung besonders gut nachgewiesen werden, \(\gamma\)-Strahlung wird jedoch nur zu einem kleinen Teil registriert.
  • Ein Geiger-Müller-Zählrohr wird meist an einen Digitalzähler oder einen Lautsprecher angeschlossen.

Einfaches, robustes Messgerät

Für den Nachweis ionisierender Strahlung mit einer Ionisationskammer wird aufgrund des sehr kleinen Ionisationsstroms ein Messverstärker benötigt. Eine solche Messing ist sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen ist. Schon das Annähern des Experimentators kann den Ausschlag verändern. 

Das sog. Geiger-Müller-Zählrohr (GMZ) ist hingegen ein sehr robustes Nachweisgerät für radioaktive Strahlung. Der Einsatz eines GMZ ist daher nicht nur auf das Labor beschränkt, sondern ist auch im Alltag problemlos möglich. So gibt es z.B. entsprechende Zählrohre die direkt mithilfe eine Minicomputers wie Raspberry Pi oder Arduino betrieben werden können.

Aufbau und Funktionsweise des GEIGER-MÜLLER-Zählrohres

Die folgende Animation zeigt den Aufbau und - sehr vereinfacht - die Funktionsweise des Geiger-Müller-Zählrohrs.

1 Aufbau und sehr vereinfachte Funktionsweise des GEIGER-MÜLLER-Zählrohrs

Ein Zählrohr kann, abhängig von der Versorgungsspannung, in verschiedenen Bereichen betrieben werden. Hier beschreiben wir nur den GEIGER-MÜLLER-Bereich (Auslösebereich).

Zwischen dem positiv geladenen Zähldraht und dem negativ Zählrohrmantel herrscht ein zylindersymmetrisches elektrisches Feld, das um den Zähldraht am stärksten ist (höchste Feldliniendichte um den Draht).

Die radioaktive Strahlung erzeugt auf dem Weg durch das Füllgas Elektron-Ion-Paare.

Die Ionen bewegen sich (langsam) zum Zählrohrmantel, die Elektronen werden zum Zähldraht hin stark beschleunigt und bilden dabei ihrerseits weitere Elektron-Ion-Paare. Es kommt zur Ausbildung einer Elektronenlawine, die sich auf den Zähldraht zu bewegt.

Bei der Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen des Füllgases kommt es im Auslösebereich auch zur Bildung von Photonen, die ihrerseits neue Ladungspaare bilden.

Das ganze Zählrohr wird von einer Entladung erfasst. Der fließende Strom verursacht am Widerstand R einen Spannungsimpuls, der vom Zähler registriert wird.

Im Auslösebereich ist die gebildete Ladungsmenge unabhängig von der Primärionisation, d.h. jedes radioaktive Teilchen löst eine Entladung aus.

Zwei unterschiedliche Typen von Geiger-Müller-Zählrohren

Im Schulbereich werden vorwiegend zwei Typen von GMZ eingesetzt:

Quelle: Uni Ulm

Das Endfensterzählrohr ist für α-, β- und γ-Strahlung geeignet. Es besteht aus einem festen Metallmantel und an der Vorderfront aus einem Fenster (meist Glimmer), welches selbst von α-Strahlung durchdrungen werden kann. In der Zählrohrachse verläuft der Zähldraht.

Quelle: Uni Ulm

Das Fingerzählrohr ist für β- und γ-Strahlung geeignet. Es besteht aus einem sehr dünnen Glasmantel, der für β- und γ-Strahlung durchlässig ist. In der Zählrohrachse verläuft der Zähldraht, die Außenelektrode stellt eine Drahtspirale dar.

Typischer Versuchsaufbau mit GMZ

Typischer Aufbau eines Versuchs mit Zählrohr und Präparat. Die Spannungsversorgung für das Zählrohr erfolgt durch das linke Gerät, das auch einen Lautsprecher für den akustischen Nachweis der Zählrohrimpulse enthält; das typische Zählrohrgeräusch für den Nachweis radioaktiver Strahlung kannst du hier hören.

Die vom Zählrohr kommenden Impulse werden mit dem Digitalzähler gezählt. Die Messdauer der Zählung kann am Digitalzähler voreingestellt werden.

Löschen der Zählrohrentladung

Das Löschen der Zählrohrentladung wird u.a. durch drei Effekte erreicht:

Hoher Zählrohrwiderstand (R > 1 MΩ): Die am Zählrohr anliegende Spannung Uzähl verringert sich mit zunehmendem Strom durch den Widerstand R und wird schließlich so klein, dass die Entladung abreißt.\[ U_\text{Zähl} = U_\text{Batt} - U_\text{R} \quad \Rightarrow \quad U_\text{Zähl} = U_\text{Batt} - I \cdot R \]Bei fester Batteriespannung ist die Spannung am Zählrohr umso kleiner, je größer I und R ist.

Füllgas: Durch Zusatz organischer Substanzen (z.B. Alkohol) zum Füllgas wird die Zahl der Photonen begrenzt, da diese von den organischen Zusätzen absorbiert werden. Im Allgemeinen wird die absorbierte Energie in den Molekülen in Schwingungsenergie umgesetzt, so dass keine neuen Ladungsträger durch die Photonen entstehen können.

Positive Raumladung: Die wenig beweglichen positiven Ladungen schwächen die Feldstärke um den Zählrohrdraht (vergleiche Skizze). Dieser Effekt vermindert die Stärke des elektrischen Feldes um den Zähldraht herum.

Zur Charakterisierung der "Stärke" einer Strahlungsquelle verwendet man den Begriff der Aktivität A. Sie beschreibt die Zahl der Zerfälle ΔN in einer radioaktiven Quelle pro Zeiteinheit.

\[A = \frac{{{\rm{Anzahl\;der\;Zerfälle\;in\;der\;Probe}}}}{{{\rm{Messzeit}}}}\]
kurz
\[A = \frac{{\Delta N}}{{\Delta t}}\]

 

Größe SI-Einheit Alte Einheit Umrechnung
Aktivität A 1 Becquerel = 1 Bq = 1 s-1 1 Curie = 1 Ci 1 Ci = 3,7·1010 Bq

Hinweise:

  • Die Aktivität einer radioaktiven Quelle ist umso höher, je mehr unzerfallene Kerne in der Quelle vorhanden sind.
  • Die Aktivität einer bestimmten Zahl unzerfallener Kerne ist umso höher, je größer die Zerfallswahrscheinlichkeit dieser Kerne ist (d.h. je kürzer die Halbwertszeit der Substanz ist).
  • Da die Kerne zeitlich unregelmäßig zerfallen, darf man für die Messung der Aktivität nicht zu kurze Messzeiten wählen (allerdings müssen die Messzeiten deutlich unter der Halbwertszeit liegen).
  • Die Aktivität A einer Quelle macht noch keine Aussage über die emittierte Strahlenart und deren Energie.

Beispiele für einige Aktivitätswerte:

Die Aktivität ist auf 1 kg der jeweiligen Substanz bezogen
Pflanzliche und tierische Nahrungsmittel
ca. 40 Bq
Natururan
12·106 Bq
Uran-235
80·106 Bq
Radium-226
3,7·1013 Bq

Auch der Mensch strahlt. Der Standard-Mensch (70 kg; 20 - 30 Jahre) hat eine Aktivität von 9,1·103 Bq, was einem Mittelwert von 130 Bq/kg entspricht.

In der nebenstehenden Abbildung ist die auf ein Kilogramm bezogene Aktivität (spezifische Aktivität) des Menschen in der BRD, welche nur vom Isotop Cs-137 verursacht wird, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.

Man sieht, dass die spezifische Cs-Aktivität zur Zeit der Kernwaffentests in sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts und im Jahr 1986 bei der Reaktorkatastrophe von Tschernobyl besonders hoch war.

Hinweis:
Neben dem Isotop Cäsium-137 tragen eine Reihe weiterer radioaktiver Nuklide zur Aktivität des Menschen bei.


Bild vom Hamburger Bildungsserver

Herr Schlaumeier möchte mit nebenstehender Anordnung - unter Verwendung des Geiger-Müller-Zählrohrs der Schule - die Aktivität einer radioaktiven Quelle bestimmen.

Untersuche, ob das mit der nebenstehenden Anordnung möglich ist.

Erläutere, was er alles bedenken müsste, wenn er die Aktivität der Quelle nur annähernd abschätzen wollte.

 

Wann ein einzelner Kern in einem radioaktiven Präparat zerfällt, kann nicht vorhergesagt werden. Hat man aber viele noch unzerfallene, radioaktive Kerne vorliegen, so kann man Aussagen über den Verlauf des Zerfalls für die Gesamtheit der Kerne machen. In der Animation wird dies am Beispiel des β--Zerfalls von Fluor-20 dargestellt.