Nachweis radioaktiver Strahlung
Im Physikraum steht ein Präparat, und trotzdem hörst du nichts, siehst nichts und spürst nichts. Radioaktive Strahlung ist für unsere Sinne unsichtbar. Wie kann ein Krankenhaus dann sicher sein, dass seine Beschäftigten nicht zu viel davon abbekommen? Dazu brauchst du Messgeräte, die Strahlung „sichtbar“ oder „hörbar“ machen.
Das Prinzip: Ionisierung als Spur
Alle Nachweisgeräte nutzen dieselbe Eigenschaft: α-, β- und γ-Strahlung ist ionisierend. Trifft sie auf Atome oder Moleküle, schlägt sie Elektronen heraus. Es entstehen geladene Teilchen (Ionen). Diese Ionen kann man messen, zählen oder als Spur sichtbar machen.
Die wichtigsten Nachweisgeräte:
| Gerät | Was es zeigt |
|---|---|
| Geiger-Müller-Zählrohr | einzelne Teilchen als Knacken oder Zählimpuls |
| Nebelkammer | Spuren der Teilchen als weiße Nebelfäden |
| Dosimeter (Plakette) | die Gesamtdosis über längere Zeit |
Nenne drei Geräte oder Verfahren zum Nachweis radioaktiver Strahlung.
Nenne drei Geräte oder Verfahren zum Nachweis radioaktiver Strahlung.
Das Geiger-Müller-Zählrohr
Das Zählrohr ist ein Metallrohr mit einem dünnen Draht in der Mitte, gefüllt mit Gas. Zwischen Rohr und Draht liegt eine hohe Spannung.
So funktioniert es:
-
Ein Teilchen oder Photon dringt in das Rohr ein und ionisiert Gasatome.
-
Die Ionen und Elektronen werden von der Spannung beschleunigt und lösen weitere Ionisierungen aus.
-
Kurz fließt ein Stromstoß: ein Impuls. Das Gerät knackt oder zählt eins hoch.
Ein Impuls bedeutet also: Ein einzelnes Strahlungsteilchen wurde nachgewiesen. Das Zählrohr misst die Zählrate, das sind die Impulse pro Zeit, zum Beispiel pro Minute.
Die Nullrate
Auch ohne Präparat knackt das Zählrohr gelegentlich. Der Grund: Überall gibt es natürliche Strahlung, etwa aus Gestein und Boden (zum Beispiel in der Eifel), aus der kosmischen Strahlung und aus Baustoffen. Diese Zählrate ohne Präparat heißt Nullrate.
Ein Geiger-Müller-Zählrohr registriert Strahlung als „Knacken“ oder Zählimpuls. a) Erkläre, was ein einzelner Impuls bedeutet. b) Erkläre, warum das Zählrohr auch ohne…
Ein Geiger-Müller-Zählrohr registriert Strahlung als „Knacken“ oder Zählimpuls.
- a) Erkläre, was ein einzelner Impuls bedeutet.
- b) Erkläre, warum das Zählrohr auch ohne Präparat Impulse zeigt.
Ein Zählrohr misst ohne Präparat in $10\ \text{min}$ insgesamt $50$ Impulse (Nullrate). Mit einem Präparat misst es in $1\ \text{min}$ $380$ Impulse. a) Berechne die…
Ein Zählrohr misst ohne Präparat in $10\ \text{min}$ insgesamt $50$ Impulse (Nullrate). Mit einem Präparat misst es in $1\ \text{min}$ $380$ Impulse.
- a) Berechne die Nullrate pro Minute.
- b) Berechne die Zählrate, die allein dem Präparat zuzuordnen ist.
Messwerte schwanken und Abstand
Der Zerfall der Atomkerne ist ein Zufallsprozess. Du kannst nicht vorhersagen, wann der nächste Kern zerfällt, nur wie viele es im Mittel pro Zeit sind. Deshalb schwanken die Zählraten, auch wenn sich nichts an der Anordnung ändert.
Je länger man misst, desto mehr gleichen sich zufällige Ausschläge aus. Eine lange Messdauer und mehrere Messungen liefern ein zuverlässigeres Ergebnis.
Abhängigkeit vom Abstand
Entfernst du das Zählrohr vom Präparat, sinkt die Zählrate, weil sich die Strahlung auf immer größere Flächen verteilt. Typisches Messbeispiel:
| Abstand in cm | 2 | 4 | 8 |
|---|---|---|---|
| Impulse pro min | 1.600 | 400 | 100 |
Verdoppelst du den Abstand, wird die Zählrate auf ein Viertel gesenkt. Man sagt: „Je größer der Abstand, desto kleiner die Zählrate, und zwar deutlich schneller als der Abstand wächst.“ Bei $16\,\mathrm{cm}$ wären es demnach $100 : 4 = 25$ Impulse pro Minute.
Folgerung für den Strahlenschutz: Abstand halten verringert die Belastung stark.
Ein Schüler misst mit einem Zählrohr die Impulse eines Präparats bei verschiedenen Abständen (Nullrate bereits abgezogen): | Abstand in cm | 2 | 4 | 8 |…
Ein Schüler misst mit einem Zählrohr die Impulse eines Präparats bei verschiedenen Abständen (Nullrate bereits abgezogen):
| Abstand in cm | 2 | 4 | 8 |
|---|---|---|---|
| Impulse pro min | 1.600 | 400 | 100 |
- a) Beschreibe den Zusammenhang zwischen Abstand und Zählrate.
- b) Gib an, welche Zählrate bei $16\ \text{cm}$ zu erwarten ist.
- c) Nenne eine Schlussfolgerung für den Strahlenschutz.
Ein Zählrohr misst bei konstanten Bedingungen in zehn aufeinanderfolgenden Minuten: $412; 395; 430; 401; 388; 420; 405; 399; 417; 408$ Impulse. Die Nullrate beträgt $12$…
Ein Zählrohr misst bei konstanten Bedingungen in zehn aufeinanderfolgenden Minuten: $412; 395; 430; 401; 388; 420; 405; 399; 417; 408$ Impulse. Die Nullrate beträgt $12$ Impulse pro Minute.
- a) Berechne den Mittelwert der Zählrate und die Zählrate ohne Nullrate.
- b) Erkläre, warum die Werte schwanken, obwohl das Präparat konstant strahlt.
- c) Begründe, warum eine längere Messdauer ein zuverlässigeres Ergebnis liefert.
Nebelkammer und Dosimeter
Die Nebelkammer
In einer Nebelkammer ist die Luft mit Alkoholdampf übersättigt. Fliegt ein geladenes Teilchen hindurch, ionisiert es Luftmoleküle. An diesen Ionen kondensiert der Dampf zu winzigen Tröpfchen. Es entsteht eine weiße Nebelspur entlang der Flugbahn, ähnlich dem Kondensstreifen eines Flugzeugs.
Aus der Spur erkennst du die Strahlungsart:
| Spur | Strahlung | Begründung |
|---|---|---|
| kurz, dick, gerade | α-Strahlung | stark ionisierend, verliert schnell Energie, wird kaum abgelenkt |
| lang, dünn, leicht gekrümmt | β-Strahlung | schwächer ionisierend, leicht, wird leichter abgelenkt |
| kaum Spuren | γ-Strahlung | ionisiert nur selten direkt |
γ-Strahlung ist elektromagnetische Strahlung ohne Ladung. Sie ionisiert nur selten und erzeugt daher kaum Spuren. Im Zählrohr reicht dagegen schon eine einzige Ionisierung im Gas, um einen Impuls auszulösen. Deshalb kann man γ-Strahlung mit dem Zählrohr nachweisen, auch wenn die Nebelkammer fast nichts zeigt.
Das Dosimeter
Ein Dosimeter (Plakette) misst nicht einzelne Teilchen, sondern die Gesamtdosis, die eine Person über Wochen aufgenommen hat. Beschäftigte in Röntgenabteilungen der Uniklinik tragen es an der Kleidung, damit es die Strahlung erfasst, der der Körper ausgesetzt ist. Es wird regelmäßig ausgewertet, um zu prüfen, ob die erlaubten Grenzwerte eingehalten werden. Das Zählrohr zeigt dagegen sofort die momentane Zählrate.
In einer Nebelkammer sieht man dünne weiße Spuren. Erkläre in zwei bis drei Sätzen, wie diese Spuren entstehen.
In einer Nebelkammer sieht man dünne weiße Spuren.
Erkläre in zwei bis drei Sätzen, wie diese Spuren entstehen.
Beschäftigte in einem Krankenhaus tragen ein Dosimeter (Plakette). a) Erkläre, wozu es dient. b) Erkläre, warum es an der Kleidung getragen und regelmäßig ausgewertet…
Beschäftigte in einem Krankenhaus tragen ein Dosimeter (Plakette).
- a) Erkläre, wozu es dient.
- b) Erkläre, warum es an der Kleidung getragen und regelmäßig ausgewertet wird.
- c) Erkläre den Unterschied zwischen Zählrohr und Dosimeter.
In einer Nebelkammer sieht man drei Arten von Spuren: kurze, dicke, gerade Spuren; lange, dünne, leicht gekrümmte Spuren; und kaum sichtbare Spuren bei einem Präparat,…
In einer Nebelkammer sieht man drei Arten von Spuren: kurze, dicke, gerade Spuren; lange, dünne, leicht gekrümmte Spuren; und kaum sichtbare Spuren bei einem Präparat, das nur $\gamma$-Strahlung aussendet.
- a) Ordne die ersten beiden Spurtypen den Strahlungsarten zu und begründe.
- b) Erkläre, warum bei reiner $\gamma$-Strahlung kaum Spuren entstehen.
- c) Erkläre, warum man mit einem Zählrohr trotzdem $\gamma$-Strahlung nachweisen kann.
Abschirmung messen
Mit dem Zählrohr kann man auch untersuchen, wie gut ein Material Strahlung abschirmt. Man misst die Zählrate bei verschiedenen Plattendicken. Die Halbwertsdicke ist die Dicke, bei der sich die Zählrate halbiert.
Fehlerquellen bei solchen Messungen: die Nullrate (abziehen), zufällige Schwankungen (länger messen, mehrmals wiederholen), ein ungenauer oder wechselnder Abstand zwischen Präparat und Zählrohr (feste Halterung verwenden) und Platten, die nicht genau gleich dick sind.
Eine Schülergruppe will untersuchen, ob eine Bleiplatte die Strahlung eines Präparats abschirmt. Gemessen werden (Nullrate abgezogen) bei verschiedenen Plattendicken: |…
Eine Schülergruppe will untersuchen, ob eine Bleiplatte die Strahlung eines Präparats abschirmt. Gemessen werden (Nullrate abgezogen) bei verschiedenen Plattendicken:
| Dicke in mm | 0 | 2 | 4 | 6 |
|---|---|---|---|---|
| Zählrate pro min | 800 | 400 | 200 | 100 |
- a) Bestimme die Halbwertsdicke der Bleiplatte.
- b) Berechne die Zählrate bei $10\ \text{mm}$.
- c) Beschreibe, welche Fehlerquellen die Messung beeinflussen könnten und wie man sie verringert.