Nachweis ionisierender Strahlung
Ein Radon-Messgerät im Keller eines Hauses in der Eifel piept. Strahlung kann man weder sehen noch hören, riechen oder fühlen. Woher weiß das Gerät dann, dass sie da ist? Und warum zeigt es auch dann Impulse an, wenn gar kein Präparat in der Nähe ist? Am Ende der Seite kannst du beides erklären.
Wie ionisierende Strahlung nachgewiesen wird
Ionisierende Strahlung (α-, β-, γ- und Röntgenstrahlung) hat genug Energie, um aus Atomen Elektronen herauszuschlagen. Dabei entstehen geladene Teilchen, die Ionen. Genau diese Wirkung nutzt man zum Nachweis: Ein Nachweisgerät macht die Ionisation sichtbar oder hörbar.
Die wichtigsten Nachweisgeräte:
| Gerät | Prinzip | Was man erhält |
|---|---|---|
| Geiger-Müller-Zählrohr | Strahlung ionisiert das Gas im Rohr, ein kurzer Stromimpuls entsteht | Impulse (Klicks) und damit eine Zählrate |
| Nebelkammer | Strahlung ionisiert übersättigten Alkoholdampf, an den Ionen kondensieren Tröpfchen | sichtbare Nebelspuren |
| Dosimeter (z. B. Filmplakette) | Strahlung schwärzt einen Film oder ionisiert ein Material, die Wirkung summiert sich | gesammelte Strahlenbelastung (Dosis) |
Das Zählrohr zeigt dir, wie viel Strahlung ankommt. Die Nebelkammer zeigt dir, wie sie sich bewegt. Das Dosimeter sagt dir, wie viel du insgesamt abbekommen hast, und wird z. B. von Personal in der Uniklinik getragen.
Spuren in der Nebelkammer
α-Teilchen ionisieren sehr stark und verlieren ihre Energie schon nach wenigen Zentimetern in Luft. Ihre Spur ist kurz und dick. β-Teilchen ionisieren schwächer und fliegen weiter: Ihre Spur ist länger, dünn und oft geknickt, weil die leichten Elektronen leicht abgelenkt werden. γ-Strahlung ionisiert nur selten, sie hinterlässt keine zusammenhängende Spur.
Nenne zwei Geräte, mit denen man ionisierende Strahlung nachweisen kann.
Nenne zwei Geräte, mit denen man ionisierende Strahlung nachweisen kann.
In einer Nebelkammer sieht man lange, dünne Spuren und kurze, dicke Spuren. a) Erkläre, wie Spuren in der Nebelkammer entstehen. b) Welche Strahlungsart gehört zu den…
In einer Nebelkammer sieht man lange, dünne Spuren und kurze, dicke Spuren.
- a) Erkläre, wie Spuren in der Nebelkammer entstehen.
- b) Welche Strahlungsart gehört zu den kurzen, dicken Spuren? Begründe.
Zählrate und Nullrate
Ein Zählrohr gibt für jedes registrierte Teilchen einen Impuls. Die Zählrate ist die Anzahl der Impulse pro Zeit:
$$\text{Zählrate} = \frac{\text{Anzahl der Impulse}}{\text{Messzeit}}$$Einheit: $\dfrac{1}{\text{s}}$ (Impulse pro Sekunde).
Auch ohne Präparat zählt das Rohr Impulse. Das ist die Nullrate (natürliche Strahlung). Sie stammt aus:
-
kosmischer Strahlung aus dem Weltall (stärker in den Alpen oder im Flugzeug),
-
Gesteinen und Baustoffen (z. B. Granit, Uran und Thorium im Boden),
-
Radon in der Luft, besonders in Kellern,
-
Nahrung und dem eigenen Körper (z. B. Kalium-40).
Deshalb ist die Nullrate nicht überall gleich: Sie hängt vom Untergrund, von der Höhe und vom Gebäude ab.
Ein Geiger-Müller-Zählrohr zählt in $60\ \text{s}$ genau $300$ Impulse. Berechne die Zählrate in Impulsen pro Sekunde.
Ein Geiger-Müller-Zählrohr zählt in $60\ \text{s}$ genau $300$ Impulse. Berechne die Zählrate in Impulsen pro Sekunde.
Ohne Präparat misst ein Zählrohr in $10\ \text{min}$ genau $120$ Impulse. Mit einem Präparat zählt es in $2\ \text{min}$ genau $1.500$ Impulse. a) Berechne Nullrate und…
Ohne Präparat misst ein Zählrohr in $10\ \text{min}$ genau $120$ Impulse. Mit einem Präparat zählt es in $2\ \text{min}$ genau $1.500$ Impulse.
- a) Berechne Nullrate und Zählrate mit Präparat in Impulsen pro Sekunde.
- b) Bestimme die um die Nullrate bereinigte Zählrate.
Woher stammt die Nullrate? Nenne drei natürliche Quellen und erkläre, warum die Nullrate an verschiedenen Orten unterschiedlich sein kann.
Woher stammt die Nullrate? Nenne drei natürliche Quellen und erkläre, warum die Nullrate an verschiedenen Orten unterschiedlich sein kann.
Zählrate, Aktivität und Abstand
Die Aktivität $A$ gibt an, wie viele Kerne pro Sekunde zerfallen. Einheit: $1\ \text{Bq} = 1\ \dfrac{1}{\text{s}}$. Die Zählrate ist aber nicht gleich der Aktivität, denn das Zählrohr verpasst viele Zerfälle:
-
Raumwinkel: Ein Präparat sendet Strahlung in alle Richtungen. Das Zählrohr deckt nur einen Teil davon ab.
-
Nachweiswahrscheinlichkeit: Nicht jedes Teilchen, das ins Rohr gelangt, löst einen Impuls aus (z. B. durchfliegt γ-Strahlung das Gas oft ungehindert).
Erwartete Zählrate:
$$\text{Zählrate} = A \cdot \text{Anteil des Raumwinkels} \cdot \text{Nachweiswahrscheinlichkeit}$$Abstand zum Präparat
Je weiter das Zählrohr entfernt ist, desto kleiner ist der Anteil der Strahlung, der es trifft. Die Strahlung verteilt sich auf eine immer größere Fläche. Misst man (bereinigt):
| Abstand in cm | 5 | 10 | 20 |
|---|---|---|---|
| Zählrate in 1/s | 160 | 40 | 10 |
Verdoppelt man den Abstand, sinkt die Zählrate auf ein Viertel. Es gilt je-desto: Je größer der Abstand, desto kleiner die Zählrate, und zwar mit dem Faktor $\frac{1}{4}$ pro Verdopplung. Bei $40\ \text{cm}$ erwartet man $\frac{10}{4} = 2{,}5\ \tfrac{1}{\text{s}}$. Deshalb ist Abstand halten ein wirksamer Strahlenschutz.
Statistische Unsicherheit
Der Zerfall ist ein Zufallsprozess. Bei wenigen Impulsen schwankt das Ergebnis stark: $25$ Impulse in $10\ \text{s}$ könnten bei der nächsten Messung auch $19$ oder $31$ sein. Abhilfe: länger messen oder mehrfach messen und den Mittelwert bilden. Je mehr Impulse, desto genauer die Zählrate.
Ein Präparat wird in verschiedenen Abständen vom Zählrohr gemessen (bereinigte Zählrate): | Abstand in cm | 5 | 10 | 20 | |---|---|---|---| | Zählrate in 1/s | 160 | 40…
Ein Präparat wird in verschiedenen Abständen vom Zählrohr gemessen (bereinigte Zählrate):
| Abstand in cm | 5 | 10 | 20 |
|---|---|---|---|
| Zählrate in 1/s | 160 | 40 | 10 |
- a) Beschreibe den Zusammenhang.
- b) Welche Zählrate erwartet man bei $40\ \text{cm}$?
- c) Begründe, warum Schutz durch Abstand wirksam ist.
Ein Schüler misst die Aktivität eines Präparats und erhält in $10\ \text{s}$ nur $25$ Impulse (Nullrate $0{,}5\ \text{1/s}$). a) Berechne die bereinigte Zählrate. b)…
Ein Schüler misst die Aktivität eines Präparats und erhält in $10\ \text{s}$ nur $25$ Impulse (Nullrate $0{,}5\ \text{1/s}$).
- a) Berechne die bereinigte Zählrate.
- b) Erkläre, warum die statistische Unsicherheit bei kurzen Messzeiten groß ist, und schlage eine Verbesserung vor.
- c) Warum ist die Zählrate nicht gleich der Aktivität?
Ein Zählrohr registriert nur einen Teil der Zerfälle eines Präparats. Die Aktivität beträgt $2.000\ \text{Bq}$, das Zählrohr deckt $2\ \%$ des Raumwinkels ab und hat…
Ein Zählrohr registriert nur einen Teil der Zerfälle eines Präparats. Die Aktivität beträgt $2.000\ \text{Bq}$, das Zählrohr deckt $2\ \%$ des Raumwinkels ab und hat eine Nachweiswahrscheinlichkeit von $80\ \%$.
- a) Berechne die erwartete Zählrate.
- b) Erkläre die beiden Verlustfaktoren.
- c) Wie kann man mit der Zählrate auf die Aktivität schließen?
Zurück zum Anfang: Das Radon-Messgerät registriert die Ionisation, die die Strahlung in seinem Messgas auslöst. Und die Impulse ohne Präparat kommen von der Nullrate, also der natürlichen Strahlung.