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?

Ionisation durch \(\alpha\)-Strahlung und Abschirmung von \(\alpha\)-Strahlung

Versuch zur Ionisierung von Luft durch Alphastrahlung
Abb.
1
Aufbau des Versuchs zur Ionisierung durch Alphastrahlung

Aufbau und Durchführung

Ein Elektroskop wird mittels eines Reibestabs geladen. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Elektroskop positiv oder negativ geladen wird. Soll die Unabhängigkeit des Versuchs von der Ladung gezeigt werden, bietet sich ein Laden des Elektroskops mittels Hochspannungsquelle an. Anschließend wird ein Alphastrahler wie z.B. Americium-241 in geringem Abstand vom Elektroskop platziert und die Veränderung des Ausschlags beobachtet.

Gleichzeitig kann mit dem Versuch auch die einfache Abschirmung von Alphastrahlung gezeigt werden. Dazu wird im Laufe des Experimentes für einige Zeit z.B. ein Blatt Papier zwischen Strahler und Elektroskop gehalten.

Versuch und Auswertung im Video

Ionisation durch Alphastrahlung

Abb. 2 Versuch im Video

Beobachtung

Bringt man das Americum-Präparat in die Nähe des geladenen Elektroskopkopfes, so entlädt sich das Elektroskop langsam, egal ob es positiv oder negativ geladen war. Hält man ein Blatt Papier zwischen Strahler und Elektroskop, so stoppt die Entladung des Elektroskops.

Ergebnis

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Dadurch ist die Umgebung des Elektroskopkopfes leitend und es kommt zu Entladevorgängen mit der Luft. Allerdings kann Alphastrahlung bereits durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. Auch hat Alphastrahlung in Luft nur eine geringe Reichweite von höchstens 10 cm.

Entladung eines Kondensators durch \(\alpha\)-Strahlung

Aufbau

Durchführung

Der Kondensator wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle aufgeladen. Dann bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten und beobachtet dabei die Ladung mit Hilfe des Elektroskops.

Beobachtung

Bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten, so entlädt sich das Elektroskop, und zwar schneller als beim Versuch mit dem dem Elektroskop allein, obwohl mehr Ladungen auf Elektroskop und Kondensator sind als nur auf dem Elektroskop.

Ergebnis

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Dadurch kommt es zur Entladung der Kondensatorplatten.

Ionisierungsstrom beim Kondensator

Aufbau

Durchführung

Der Kondensator wird mit Hilfe einer Hochspannungsquelle aufgeladen. Dann bringt man das Americum-Präparat zwischen die Kondensatorplatten und beobachtet dabei den Entladestrom.

Beobachtung

Bringt man das Präparat in die Nähe des Kondensators, so fließt ein Entladungsstrom in der Größenordnung von \({10^{ - 9}}{\rm{A}}\). Aus der Tatsache, dass der Stromfluss schon beginnt, wenn man das Präparat noch einige \(\rm{cm}\) von der Kondensatorplatte entfernt ist, kann man die Reichweite der Strahlung in Luft abschätzen. Hüllt man das Präparat in Papier, so geht der Stromfluss deutlich zurück.

Spitzenzähler

Aufbau

Durchführung

Man bringt das Präparat in die Nähe des Spitzenzählers.

Beobachtung

Bringt man das Präparat in die Nähe des Spitzenzählers, so hört man das typische Knacken im Lautsprecher.

Erklärung

Durch die \(\alpha\)-Teilchen werden einzelne Moleküle der Luft ionisiert. Durch die hohe Spannung ist in der Umgebung der Spitze die Feldstärke sehr hoch. Dort werden die Ionen und Elektronen so stark beschleunigt, dass es zur Ionisierung weiterer Gasmoleküle kommt. Es kommt zur Auslösung einer Entladungslawine, die im Lautsprecher zu einem Knacken, bei hoher Zerfallsrate zu einem Rauschen führt.

Für den Zusammenbruch des Ionisationsstroms sorgt der hohe Widerstand im Adapter. An ihm fällt bei Stromfluss (nur bei Stromfluss) ein hoher Anteil der angelegten Spannung ab. Die verbleibende Spannung zwischen Spitze und Rohr reicht dann nicht mehr zur Aufrechterhaltung des Ionisationsstroms.

Hinweis: Der Spitzenzähler hat in der heutigen Nachweistechnik kaum noch Bedeutung, wegen seiner einfachen Bauart und seiner Zerlegbarkeit kann man über ihn aber sehr gut die wesentlichen Eigenschaften des Zählrohrs einführen.

Ionisationskammer

Aufbau

 
 

Man steckt das Kabel des Messverstärkers von unten als Innenelektrode in den Boden der Ionisationskammer und befestigt darauf mit Hilfe einer Kupplung das Radiumpräparat. Dann muss der Messverstärker eingestellt werden (Nullpunkt, Empfindlichkeit im Bereich von \(3 \cdot {10^{ - 10}}{\rm{A}}\) voll aufdrehen).

Durchführung

Man regelt die Spannung lansam hoch und misst den Ionisationsstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Beobachtung

\(U\;{\rm{in}}\;{\rm{V}}\) \(50\) \(120\) \(180\) \(310\) \(430\) \(830\)
\(I\;{\rm{in 1}}{{\rm{0}}^{{\rm{ - 10}}}}{\rm{A}}\) \(0,2\) \(0,7\) \(0,9\) \(1,03\) \(1,04\) \(1,2\)

Auswertung und Ergebnis

Bei kleinen Spannungen zwischen Innenelektrode und Wand gelangen nicht alle Elektronen und positiven Ionen an die Wand bzw. an die Innenelektrode. Ein Teil von ihnen rekombiniert (= Wiedervereingung von Elektronen und Ionen) bereits innerhalb der Kammer. Aus diesem Grund ist bei kleinen Spannungen die Größe des Ionisationsstroms kein Maß für die Zahl der erzeugten Elektron - Ionen - Paare.

Bei größeren Spannungen hingegen gelangen alle von der radioaktiven Strahlung primär erzeugten Elektronen und Ionen an die Elektroden. Der Ionisationsstrom nimmt einen Sättigungswert an, der in einem breiten Spannungsbereich nahezu unabhängig von der Spannung ist und nur von der radioaktiven Strahlung abhängig ist.

Zerfallsgesetz mit Würfeln simulieren
Abb.
1
Benötigtes Material

Mithilfe von einfachen Würfeln kannst du zentrale Aspektes des radioaktiven Zerfalls wie die Abnahme des radioaktiven Materials und die Halbwertszeit simulieren.

Modellvorstellungen

Im Würfelmodell für den radioaktiven Zerfall werden folgende Analogien genutzt:

  • Die Anzahl der Würfel entspricht der Anzahl der radioaktiven Teilchen.
  • Ein Wurf entspricht einem Zeitschritt \(t\).
  • Die Anzahl der verbleibenden Würfel entspricht der Anzahl der noch vorhandenen radioaktiven Teilchen.
  • Die nach einem Wurf entfernten Würfel entsprechen den zerfallenen Teilchen.

Aufbau und Durchführung

Für den Versuch benötigst du ca. 30 oder mehr einfache Würfel und einen ausreichend großen Würfelbecher. Nun würfelst du. Nach dem Wurf entfernst du alle Würfel mit der Augenzahl 1 und notierst die Anzahl der verbleibenden Würfel in einer Tabelle. Jetzt würfelst du wieder mit den verbliebenen Würfeln und wiederholst alle Vorgänge bis du alle Würfel entfernt hast. 

Anzahl der Würfe \(0\) \(1\) \(2\) \(3\) \(4\) \(5\) \(6\) \(7\) \(8\) \(9\) \(10\) \(11\) \(12\) \(13\) \(14\) \(15\)
zu entfernende Würfel \(0\) \(7\) \(8\) \(6\) \(5\) \(5\) \(3\) \(3\) \(4\) \(1\) \(4\) \(1\) \(2\) \(0\) \(0\) \(1\)
verbleibende Würfel \(50\) \(43\) \(35\) \(29\) \(24\) \(19\) \(16\) \(13\) \(9\) \(8\) \(4\) \(3\) \(1\) \(1\) \(1\) \(0\)

Auswertung

Aufgabe

Erstelle ein x-y-Diagramm mit der Anzahl der Würfe auf der x-Achse und der Zahl der verbleibenden Würfel auf der y-Achse. Beschreibe anschließend, wann besonders viele Würfel entfernt werden müssen, also wann viele radioaktive Teilchen zerfallen und wann wenige. Versuche zu erklären, warum das so ist.

Lösung
Beispieldiagramm Zerfallsgesetz mit Würfeln

Wenn noch viele Würfel bzw- radioaktive Teilchen da sind, dann müssen auch viele Würfel entfernt werden bzw. es zerfallen wenige Teilchen. Wenn nur noch wenige Würfel bzw. Teilchen übrig sind, dann müssen meist auch weniger entfernt werden.
Die Ursache hierfür ist, dass die Wahrscheinlichkeit, eine Eins zu würfeln für jeden einzelnen Würfel immer gleich ist, nämlich 1/6. Hat man nun 50 Würfel, so wirft man meistens mehr Einer als, als wenn man nur 5 Würfel hat. Entsprechend zerfallen auch viele radioaktive Teilchen, wenn noch viele Teilchen da sind und weniger, wenn nur noch wenige da sind.

Mathematische Beschreibung

Mithilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung, kannst du bei Würfeln vorhersagen, wieviele Einer zu bei einem Wurf im Mittel würfelst. Die Wahrscheinlichkeit eine Eins zu würfeln ist \(\frac{1}{6}\), da es sechs Möglichkeiten gibt, von denen eine die gewünschte Eins ist. Bei 50 Würfeln würfelst du also im Mittel \(50\cdot \frac{1}{6}\approx 8\) Einsen, die du entfernen musst. Aus Sicht der verbleibenden Würfel kannst du sagen, dass die Wahrscheinlichkeit \(1-\frac{1}{6}=\frac{5}{6}\) beträgt, im nächsten Wurf noch dabei zu sein. Für die verbleibenden Würfel nach dem 1. Wurf gilt also: \[\text{Anzahl nach 1. Wurf}= \text{Anzahl der Würfel}\cdot \frac{5}{6}\]\[\Rightarrow \text{Anzahl nach 1. Wurf}=50\cdot\frac{5}{6}\approx 42\]

Es bleiben also nachher noch \(42\) Würfel übrig. Beim zweiten Wurf bleibt die Wahrscheinlichkeit unverändert, aber die Zahl der Würfel im Becher ist jetzt nur noch \(50\cdot\frac{5}{6}\approx 42\). Nach dem zweiten Wurf bleiben im Mittel also \[\text{Anzahl nach 2. Wurf}=\frac{5}{6} \cdot\text{Anzahl nach 1. Wurf}=\frac{5}{6} \cdot\left(50\cdot \frac{5}{6}\right)\text{ Würfel}\]

Da also bei jedem Wurf eine gleiche relative Abnahme um \(\frac{1}{6}\) stattfindet, lässt sich die Zahl der noch vorhandenen Würfel mithilfe folgender Exponentialfunktion beschreiben: \[\text{Anzahl nach n-tem Wurf} = 50\cdot\left(\frac{5}{6}\right)^n\]

Diesen "idealen" Verlauf können wir nun auch in unser Diagramm einzeichnen:

Zerfallsgesetz mit theoretischer Kurve
Abb.
2
Zerfallsreihe durch Würfeln mit theoretischer Kurve

Halbwertszeit \(T_{1/2}\)

Im Gegensatz zu Würfeln kennt man bei radioaktiven Teilchen die Zerfallswahrscheinlichkeit meistens nicht. Daher führt man die sog. Halbwertszeit \(T_{1/2}\) ein. Nach dieser Zeit \(T_{1/2}\) ist gerade noch die Hälfte der Ausgangsmenge an radioaktiven Teilchen vorhanden. Auch mit dieser Größe kannst du die mittlere Teilchenzahl zu jedem Zeitpunkt \(t\) berechnen. Dazu nutzt du folgende Exponentialfunktion:\[\text{Zeilchenzahl nach Zeit }t =\text{Teilchenzahl zu Beginn}\cdot 2^{-\frac{t}{T_{1/2}}}\]

In unserem Würfelmodell wäre die Halbwertszeit etwa 4 Würfe, da nach 4 Würfen mit 24 Würfeln nur noch etwa die Hälfte der ursprünglichen 50 Würfeln im Becher sind. Die Exponentialfunktion mithilfe der im Experiment bestimmten Halbwertszeit ist im Würfelmodell also \[\text{Anzahl}(t)=50\cdot 2^{-\frac{t}{4}}\]

Der im Diagramm dargestellte Vergleich zwischen beiden mathematischen Beschreibungen zeigt große Ähnlichkeit zwischen den beiden Kurven.

Zerfallsgesetz mit exaktem und über Halbwertszeit ermitteltem Verlauf
Abb.
3
Theoretischer und über Halbwertszeit ermittelter Verlauf im Vergleich

Versuchsaufbau

 

Schaltplan

Versuchsdurchführung

  • Die große Ionisationskammer wird auf den Stecker des Messverstärkerkabels aufgesetzt und die Kammer mit Stativmaterial befestigt.
  • Nun verbindet man den Schlauch der Plastikflasche, in der das Thoriumpräparat aufbewahrt wird, mit der Ionisationskammer. Man lässt ihn aber bis zum eigentlichen Versuch noch abgeklemmt, damit kein radioaktives Gas in die Atemluft gelangt.
  • Man legt eine Spannung von U = 500 V an die Kammer.
  • Den Messverstärker betreibt man im Bereich von 3·10-11A und schließt an den Ausgang ein Drehspulinstrument und/oder einen t-y-Schreiber an. Man wartet bis der Ausschlag nicht mehr driftet und stellt dann mit dem entsprechenden Regler des Messverstärkers den Nullpunkt sauber ein.
  • Nun bläst man durch festes Zusammendrücken der Plastikflasche das gasförmige 220Rn (Thoriumemanation, Thoron) in die Ionisationskammer, bis der Zeigerausschlag knapp über Maximalwert des Messgeräts gestiegen ist. Wenn der Zeiger beim Absinken den Maximalausschlag erreicht hat startet man die Uhr (und den t-y-Schreiber).

Hinweis: In der Plastikflasche wird durch den Zerfall von 232Th gasförmiges 220Rn gebildet. Dies zerfällt zunächst in 216Po und dieses sehr schnell weiter in 212Pb.

Versuchsergebnis

Die Aufschreibung des t-y-Schreibers mit Vermaßung

Bestimme aus den Versuchsergebnissen die Halbwertszeit von 220Rn.

©  W. Fendt 1998
HTML5-Canvas nicht unterstützt!
1 Simulation zur Veranschaulichung des Zerfallsgesetzes

Beim Zerfallsgesetz geht es darum, wie sich die Zahl der noch unzerfallenen Atomkerne einer radioaktiven Substanz im Laufe der Zeit verringert. Die roten Kreise dieser Simulation symbolisieren \(1000\) Atomkerne eines radioaktiven Stoffes, dessen Halbwertszeit \(T\) \(20\rm{s}\) beträgt. Das Diagramm im unteren Teil stellt graphisch dar, wie hoch der Prozentsatz der unzerfallenen Kerne \(\frac{N}{N_0}\) zu einem gegebenen Zeitpunkt \(t\) nach dem Zerfallsgesetz\[{N = {N_0} \cdot {2^{ - \;\frac{t}{T}}}}\](\(N\): Zahl der unzerfallenen Atomkerne; \(N_0\): Zahl der am Anfang vorhandenen Atomkerne ; \(t\): Zeit; \(T\): Halbwertszeit) sein müsste.

Sobald die Simulation mit dem gelben Schaltknopf gestartet wird, beginnen die Atomkerne zu "zerfallen" (Farbwechsel von rot zu schwarz). Mit dem gleichen Button kann man die Simulation unterbrechen und wieder fortsetzen. In diesem Fall wird ein blauer Punkt für die aktuelle Zeit und den Prozentsatz der unzerfallenen Kerne in das Diagramm eingetragen. Man beachte, dass diese Punkte oft nicht genau auf der Kurve liegen, die nach einem Klick auf "Diagramm" sichtbar wird und die der Vorhersage des Zerfallsgesetzes entspricht. Mit dem Schaltknopf "Zurück" lässt sich die Anfangssituation wiederherstellen.

Für einen einzelnen Atomkern kann man angeben, mit welcher Wahrscheinlichkeit er innerhalb eines gegebenen Zeitraumes "überlebt": Während einer Halbwertszeit \(T\) beträgt diese Wahrscheinlichkeit \({50\% }\). In einem doppelt so langen Zeitraum \(2T\) überlebt der Kern nur noch mit \(25\%\) Wahrscheinlichkeit (Hälfte von \(50\%\)), in einem Zeitintervall von drei Halbwertszeiten \(3T\) nur noch mit \(12,5\%\) (Hälfte von \(25\%\)) usw.. Was man dagegen nicht vorhersagen kann, ist der Zeitpunkt, zu dem ein bestimmter Atomkern zerfällt. Auch wenn beispielsweise die Wahrscheinlichkeit für einen Zerfall in der nächsten Sekunde \({99\% }\) beträgt, ist es dennoch möglich, wenn auch äußerst unwahrscheinlich, dass der Kern erst nach Millionen von Jahren zerfällt.

Wir danken Herrn Walter Fendt für die Erlaubnis, diese HTML5/Javascript-Animation auf LEIFIphysik zu nutzen.

Aufgabe

Lasse die Simulation genau \(60\rm{s}\) laufen und bestimme daraus die Halbwertszeit \(T\) des simulierten Zerfalls.

Lösung

Nach \(60\rm{s}\) ist etwa ein Achtel der anfangs vorhandenen Kerne noch unzerfallen. Die \(60\rm{s}\) entsprechen also etwa drei Halbwertszeiten, so dass die Halbwertszeit ca. \(20\rm{s}\) beträgt.

Da der Mensch kein Sinnesorgan für Ionisierende Strahlung hat, können wir Radioaktive Zerfallsprozesse nur mit Hilfe geeigneter Messinstrumente erfassen; dadurch fehlt uns vielfach ein Gefühl für exponentiell ablaufende Prozesse. Oft wird als Experiment zur Verdeutlichung derartiger Zerfallsprozesse der Zerfall von Bierschaum, d.h. die exponentielle Abnahme der Höhe der Schaumkrone in einem Bierglas angegeben.

Aufbau und Durchführung

Neben einem hohen Standzylinder aus Glas befindet sich ein Maßstab von ca. 40cm Länge. Nun wird in den Standzylinder eine Flasche gut gekühlten Gerstensaftes geschüttet. Ist die Flasche vollständig entleert, wird eine Stoppuhr gestartet.

Hinweis: Die ersten 7 Aufnahmen sind im Abstand von 15s gemacht worden, die weiteren Aufnahmen im Abstand von 30s.

 Bild 1 

Die Aufnahmen wurden LEIFIPhysik freundlicherweise von Michael
Kowalsky, Köln, zur Verfügung gestellt.

Aufgabe (Beobachtung und Auswertung)

a)

Entnehmen Sie den Aufnahmen über den gesamten Versuchszeitraum hinweg die Zeiten \(t\), die Höhen \({h_K}\) bis zum oberen Rand der Schaumkrone sowie die Höhen \({h_B}\) bis zum oberen Rand des Bieres und tragen Sie diese in die folgende Tabelle ein.

\({t\;{\rm{in}}\;{\rm{s}}}\) 0 15 30 45 60 75 90 120 150 ...
\({{h_K}\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}}\)                    
\({{h_B}\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}}\)                    
\({{h_S}\;{\rm{in}}\;{\rm{cm}}}\)                    

b)

Berechnen Sie jeweils aus den Werten \({h_K}\) und \({h_B}\) die Werte \({h_S}\) für die Höhe der Schaumkrone und tragen Sie diese ebenfalls in die Tabelle aus Aufgabenteil a) ein.

c)

Erstellen Sie ein geeignetes skaliertes und beschriftetes Koordinatensystem und tragen Sie darin die Wertepaare \(\left( {t|{h_S}} \right)\) ein.

d)

Versuchen Sie zu entscheiden, ob in diesem Versuch der Bierschaum exponentiell zerfällt.

e)

Mathematische Auswertung (für Schüler der Oberstufe): Erweitern Sie die Tabelle aus Aufgabenteil a) um eine 5. Zeile. Berechne Sie jeweils die Werte \(\ln \left( {h_S} \right)\) und tragen Sie diese in die Tabelle ein. Erstellen Sie ein zweites skaliertes und beschriftetes Koordinatensystem, tragen Sie darin die Wertepaare \(\left( {t|\ln \left( {{h_S}} \right)} \right)\) ein (logarithmische Auftragung) und versuchen Sie erneut zu entscheiden, ob in diesem Versuch der Bierschaum exponentiell zerfällt. Berechnen Sie gegebenenfalls die Zerfallskonstante und die Halbwertszeit.

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.

Aufbau und Durchführung

 

Man untersucht die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit (Zählrate R) mit und ohne Papier in Abhängigkeit vom Abstand Präparat-Zählrohr r. Die Messzeit betrug jeweils 100s.

Beobachtung (qualitativ)

  • Bei Luft zwischen Zählrohr und Präparat nimmt die Impulsrate innerhalb weniger Zentimeter für r rapide ab. Die Zählrate ist in diesem Bereich durch Papier sehr stark zu beeinflussen.

  • Ab ca. 4 cm nimmt die Impulsrate nur mehr allmählich ab; sie wird durch Papier nicht wesentlich verringert.

  • Ein gewöhnlicher Hufeisenmagnet zwischen Zählrohr und Präparat beeinflusst die Zählrate nur unwesentlich.

Beobachtung (quantitativ)

 

Schließt man das Zählrohr an das Interface (hier CASSY) eines Computers an, so kann man die für verschiedene Abstände gemessenen Zählraten R direkt mit dem Messwerterfassungssystem weiterbearbeiten, insbesondere leicht die Nullrate RN, das ist die Zahl der Impulse pro Zeiteinheit, welche das Zählrohr ohne Anwesenheit des Präparats registriert, abziehen und die Messdaten graphisch auswerten.

r in mm 4 6 8 10 15 20 25 30 40 50 60 70 90 110
R in 1/s 4150 2896 1714 542 40,1 24,2 16,0 11,3 6,5 3,8 2,6 2,0 1,3 0,8

Auswertung (einfach)

Aus dem r-R-Diagramm erkennt man, dass Papier bei kleinerem als 3cm Abstand die Zählrate erheblich reduziert; dies ist ein Hinweis auf die α-Strahlung des Americiums.

Aus der Tatsache, dass trotz Papierabschirmung immer noch Strahlung nachgewiesen wird, kann man schließen, dass das Am-Präparat neben der α-Strahlung noch eine weitere Komponente der radioaktiven Strahlung aussendet (γ-Strahlung), welche das Papier durchdringt und deren Intensität erst mit zunehmendem Abstand abnimmt.

Ergebnis

Eine Komponente der radioaktiven Strahlung ist die α-Strahlung, da

  • α-Teilchen durch ein dickeres Blatt Papier bereits vollständig absorbiert werden können
  • die Reichweite der α-Teilchen in Luft nur wenige Zentimeter beträgt
  • α-Teilchen durch starke Magnetfelder aufgrund ihrer positiven Ladung abgelenkt werden können.

Auswertung (detailliert)

In der doppelt logarithmischen Darstellung erkennt man den Verlauf einer Geraden. Daraus ergibt sich die Abhängigkeit einer Potenzfunktion
\[R(r) = {r^n}\]

Zeige, dass \(n = -2\) ist und somit ein quadratisches Abstandsgesetz vorliegt.

1 Aufbau, Durchführung und Beobachtungen des Versuchs zur Untersuchung der γ-Strahlung von Radium

Untersuchung der γ-Strahlung von Radium mit einem Zählrohr bei verschiedenen Absorbern und Feldern. Die Versuchsergebnisse werden in einer Animation dargestellt.

Zusammenfassung

Eine Komponente der radioaktiven Strahlung ist die γ-Strahlung:

  • Die Reichweite der γ-Strahlung in Luft beträgt viele Meter.
  • γ-Strahlung wird nur durch dicke Bleiplatten oder sehr dicke Betonschichten absorbiert.
  • γ-Strahlung kann auch durch stärkste Magnetfelder nicht abgelenkt werden.
  • Das Verhalten der γ-Strahlung ist dem der Röntgenstrahlung sehr ähnlich.

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

Radioaktivität am Luftballon vorher und nachher
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 Counts gegen Zeit vom Luftballon aus dem Keller
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

Zentrale Zerfallsreihe von Radon-222
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.

Ziel des Versuchs

  • Demonstration der ionisierenden Strahlung von von Kalium-40 Isotopen in Lebensmitteln

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 96,26% 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

Nachweis von Kalium-40 in Lebensmitteln
Abb.
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Material und Aufbau

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?

Lösung

Für die Versuchsauswertung müssen die Mittelwerte der Messreihen und ihre Standardabweichungen betrachtet werden (für exakte Bewertung ist mathematisch das Rechnen eines einfachen t-Testes angebracht).

Es zeigt sich, dass sowohl die Schokolade mit hohem Kakaoanteil als auch die getrockneten Aprikosen zu einer leichten Steigerung der Zählrate führen. Die Tabletten mit Kaliumchlorid führen zu einem sehr viel stärkeren Anstieg der Zählrate. Dies erscheint plausobel, da hier der Kaliumanteil etwa 50% beträgt und damit sehr viel höher ist, also in der Schokolade bzw. den Aprikosen.

Enthalten die Aprikosen oder die Schokolade mehr Kalium? Prüfe durch Rechnen eines t-Tests.

Lösung

Das Ergebnis des t-Tests zeigt mit t(8)=-1,15, p=0,28 keinen statistisch signifikanten Unterschied zwischen den Zählraten bei der Schokolade und den Aprikosen. Auf Basis des Experimentes kannst du also keine gesicherte Aussage darüber machen.

Zur Beantwortung der Frage sind also weitere Messungen notwendig.

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 Körpoergewicht. 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.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video untersucht Karlheinz Meier die Alpha-Strahlung eines Uranerzes und entwickelt eine einfache Modellvorstellung zum Alpha-Zerfall.

zum Video

Ziel des Versuchs

Ziel des Versuches ist es, ionisierende Teilchenstrahlung durch ein von ihnen erzeugte Nebelspur in einer Nebelkammer nachzuweisen.

Versuchsaufbau

Versuchsaufbau einer Expansionsnebelkammer nach Wilson
Abb.
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Versuchsaufbau einer Expansionsnebelkammer nach Wilson

Eine Expansionsnebelkammer nach Wilson besteht heute meist aus einer flexiblen Gummiblase, die unterhalb einer luftdichten, durchsichtigen Beobachtungskammer angebracht ist. Durch Drücken bzw. Loslassen der Blase wird übersättigter Wasserdampf in der Beobachtungskammer erzeugt. Auf dem Boden der Beobachtungskammer befindet sich, unterhalb einer schwarzen Fläche eine Art Schwamm. Dieser muss mit einem 1:1 Gemisch aus Wasser und Alkohol (Spiritus genügt) gut befeuchtet werden. Dies geschieht am besten mit einer Pipette durch den Aufnahmestutzen des Strahlerstiftes. Anschießend wird der zugehörige Strahlerstift durch diese Öffnung am Boden der Beobachtungskammer in dieser geschraubt. Dabei ist darauf zu achten, dass die Strahlrichtung in die Nebelkammer hinein zeigt. Zusätzlich wird noch ein Fell oder ein Wolltuch zum Reiben am Deckel der Beobachtungskammer benötigt. Dadurch wird ein elektrisches Feld zwischen Deckel und Boden erzeugt. Dieses reduziert die freien Ionen in der Kammer.

Hinweis: Teilweise besitzen Expansionsnebelkammern anstelle der Gummiblase auch einen verschiebaren Kolben, der nach unten gezogen wird, um den übersättigten Wasserdampf zu erzeugen.

Versuchsdurchführung

Im abgedunkelten Raum wird die Beobachtungskammer mit der Lampe seitlich beleuchtet. Die Beobachtung erfolgt von oben und kann bspw. mittels Dokumentenkamera für alle sichtbar gemacht werden. Nun wird die Gummiblase kräftig zusammengedrückt, kurz gehalten und wieder losgelassen.

Nachweis von Alphastrahlung mit der Expansionsnebelkammer

Abb. 2 Video der Versuchsdurchführung

Beobachtung

Beim Loslassen der Gummiblase werden in der Beobachtungskammer geradlinige Nebelspuren sichtbar, die nach kurzer Zeit durch Luftzirkulation in der Kammer verwirbeln und schnell wieder verschwinden. Diese Nebelspuren Spuren werden von den von radioaktiven Präparat ausgehenden \(\alpha\)-Teilchen verursacht.

Erklärung

3 Bildung eines Nebeltröpfchens durch ein schnelles Teilchen, das ein Gasmolekül ionisiert.

Die Animation zeigt, wie die Nebelspuren durch die \(\alpha\)-Teilchen verursacht werden.

Trifft in einem mit Wasserdampf (gasförmiges Wasser) übersättigtem Gas ein schnelles Teilchen auf ein Gasmolekül, so ionisiert es dieses, indem es ein Elektron herausschlägt. An das positiv geladene Ion lagern sich in kugelförmigen Schalen die in der Nähe befindlichen Wasserdipole an. An dieser Stelle wird Nebel sichtbar.

Die Nebelstreifen können also als Nachweis für \(\alpha\)-Strahlung genutzt werden.

Kondensstreifen von Flugzeugen als analoge Erscheinung

In der Natur kann ein ähnliches Phänomen wie in der Nebelkammer bei der Entstehung von Kondensstreifen hinter Flugzeugen beobachtet werden. Hierbei spielt jedoch ionisierende Strahlung keine Rolle. Stattdessen sorgen wasserdampf- und rußhaltige Abgase von Flugzeugtriebwerken für die Bildung der Nebelstreifen, da sie die Kondensationskeime für die Luftfeuchtigkeit darstellen.

Kondensstreifen hinter einem Flugzeug
Abb.
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Kondensstreifen hinter einem Flugzeug

In typischen Reisehöhen von Verkehrsflugzeugen von \(8\,-\,11\,\rm{km}\) ist es mit unter \(-40\,^{\circ}\rm{C}\) kalt genug, dass auch bei relativ trockener Luft Kondensstreifen entstehen können. Durch die Luftverwirbelung nimmt der Sättigungsdampfdruck ab und es kommt zu einer Übersättigung der Luft. An den Rußteilchen der Abgase kondensiert Wasserdampf und es entsteht ein sichtbarer Kondensstreifen, da Licht an den Wasserteilchen gestreut wird.

Je nach Strömungsverhältnissen in der jeweiligen Luftschicht verwirbeln die Kondensstreifen schnell oder bleiben sehr lange am Himmel sichtbar.

Nachteil einer Expansionsnebelkammer

Der Nachteil einer solchen Expansionsnebelkammer besteht darion, dass nur im Augenblick der Expansion schnelle Teilchen nachgewiesen werden können. Um dauerhaft Teilchen nachweisen zu können, wird eine kontinuierliche Nebelkammer benötigt. Wie eine solche Nebelkammer aufgebaut ist, kannst du im Ausblick erkunden. Weiter findest du hier Bilder von charakteristischen Teilchenspuren, die unterschiedliche Teilchen in der Nebelkammer hinterlassen.

Karlheinz Meier von der Universität Heidelberg stellt leicht verständliche Videos zum Physikunterricht zur Verfügung. In anderthalb Minuten wird gut fassbar in das Prinzip einer technischen Erfindung eingeführt oder ein physikalisches Phänomen vorgestellt.

In diesem Video zeigt Karlheinz Meier eindrucksvolle Bilder aus einer Nebelkammer.

zum Video

 
 
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1 Darstellung der vier radioaktiven Zerfallsreihen, wobei allerdings eine davon (die Neptunium-Reihe) nur künstlich hergestellte Atomkerne umfasst

Bei schweren Atomkernen kommt es häufig vor, dass der beim radioaktiven Zerfall entstehende Tochterkern erneut zerfällt, der dabei entstehende Kern wieder und so weiter, bis nach etlichen Zerfallsprozessen schließlich ein stabiler Atomkern als Endprodukt entsteht. Man spricht in diesem Fall von einer Zerfallsreihe. Da sich bei einem Zerfall die Massenzahl entweder um 4 verringert oder gleich bleibt, ergibt sich bei den Atomkernen derselben Zerfallsreihe beim Dividieren der Massenzahl durch 4 stets der gleiche Rest (0, 1, 2 oder 3). Dementsprechend gibt es vier Zerfallsreihen, wobei allerdings eine davon (die Neptunium-Reihe) nur künstlich hergestellte Atomkerne umfasst.

  • Thorium-Reihe (Massenzahlen der Form 4 n)
  • Neptunium-Reihe (Massenzahlen der Form 4 n + 1)
  • Uran-Radium-Reihe (Massenzahlen der Form 4 n + 2)
  • Uran-Actinium-Reihe (Massenzahlen der Form 4 n + 3)

Die Animation zeigt einen kleinen Ausschnitt einer Nuklidtafel, wobei aus Platzgründen die Kurzschreibweise wie Th 232, bestehend aus Elementsymbol und Massenzahl, verwendet wird. Die Zahl der Protonen lässt sich links am Zeilenanfang ablesen, die Zahl der Neutronen oben am Spaltenanfang. Alphastrahler sind mit gelber Farbe gekennzeichnet, Betastrahler mit blauer. Hat man im Auswahlfeld links oben eine der Zerfallsreihen gewählt, so kann man durch wiederholte Mausklicks auf den Schaltknopf ("Nächster Zerfall") erkennen, welche Atomkerne der Reihe nach entstehen.

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