Sexl Physik 8, Schulbuch

Experiment: Abschirmung ionisierender Strahlung 44.1 E 1 Du brauchst: Radioaktive Substanz, Geiger-Müller-Zähler, verschiedene Mate- rialien (Papier, Metallblech, Bleiplatten). Halte die radioaktive Substanz vor das Zählrohr. Halte nun zwischen Zählrohr und Substanz jeweils eines der genannten Materialien. a) Welche Strahlung wird wodurch abgeschirmt? b) Nimm zuerst eine, dann zwei bzw. drei Bleiplatten zur Abschirmung. Wie än- dert sich die Zählrate? α - Strahlen haben in Luft eine Reichweite von einigen Zentimetern und können durch ein Blatt Papier abgeschirmt werden. β - Strahlen haben in Luft eine Reichweite von einigen Dezimetern und können durch ein Aluminiumblech von 5mm Stärke abgeschirmt werden. γ - Strahlung hat in Luft eine Reichweite von einigen Metern Die Strahlung kann durch Blei- oder Betonplatten abgeschirmt werden. Das Zerfallsgesetz Beim Zerfall radioaktiver Substanzen nimmt die Intensität der Strahlung mit der Zeit ab. Dabei folgt die Intensität einem einfachen Gesetz: Sie nimmt in gleichen Zeitabschnitten immer um denselben Faktor ab. Als Halbwertszeit T 1/2 wird jene Zeitdauer bezeichnet, innerhalb der die Intensität auf die Hälfte des Ausgangs- werts abnimmt und die Hälfte der ursprünglich vorhandenen radioaktiven Kerne in andere Kerne zerfallen ist. Die Halbwertszeit ist für die radioaktiven Isotope charakteristisch (  43.4 ). Entstehen allerdings beim radioaktiven Zerfall wieder radioaktive Kerne (Tochterkerne), so tragen auch sie zur Intensität der Strahlung bei. Die mittlere Anzahl der pro Zeiteinheit zerfallenden Kerne wird als Aktivität be- zeichnet. Sie ist proportional zur Anzahl der vorhandenen radioaktiven Atomker- ne. Sind N Kerne vorhanden, so ist die Aktivität gegeben durch: Aktivität Die mittlere Anzahl der Zerfälle pro Sekunde wird als Aktivität bezeichnet. A = – d N /d t = λ · N Einheit: Becquerel : 1 Bq = 1 s −1 Die Aktivität einer Substanz kann mit dem Geiger-Müller-Zählrohr gemessen wer- den. Bei der Bestimmung der Aktivität eines einzelnen radioaktiven Isotops ist zu berücksichtigen, dass auch die Tochterkerne im Allgemeinen radioaktiv sind. Die Zerfallskonstante λ bestimmt den Anteil der pro Zeiteinheit zerfallenden Ker- ne. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass die Anzahl der Kerne abnimmt. Neh- men wir an, dass N 0 Kerne zum Zeitpunkt t 0 = 0 vorhanden sind. Wie viele Kerne N ( t ) sind nach einer Zeit t noch vorhanden? Wir integrieren die Gleichung für die Aktivität:   d N ( t ) _  d t   = – λ N ( t ) w   d N ( t ) _ N( t )  = – λ d( t ) w ln   (    N ( t ) _  N 0   )  = – λ t w N ( t ) = N 0 · e – λ t Aus den Gleichungen erhalten wir folgende Beziehung zwischen der Zerfallskon- stanten λ und der Halbwertszeit T 1/2 : N ( T 1/2 ) = N 0 e – λ T 1/2 =   N 0 _ 2  e – λ T 1/2 =   1 _ 2 w – λ T 1/2 = ln   1 _ 2 w T 1/2 =   ln2 _ λ  0 5·10 8 10 9 Anzahl der Kerne N 2,5·10 8 0 8 16 32 48 Zeit in Tagen t N 0 N 0 2 N 0 4 N 0 8 Zerfall von I Halbwertszeit 8 Tage 131 24 40 44.1 Das exponentielle Zerfallsgesetz: Die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne (und daher die Aktivität) von I-131 halbiert sich innerhalb einer Halbwertszeit. 80 82 84 86 88 90 92 94 Kernladungszahl Z 122 124 126 128 130 132 134 136 138 140 142 144 146 Neutronenzahl N = A – Z langlebige Kerne α -Strahler β -Strahler stabiler Kern 238 U 234 Th 234 Pa 234 U 230 Th 222 Rn 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po 210 Tl 210 Bi 210 Po 206 Pb 226 Ra 200 Pb 44.2 Die Uran-Radiumreihe: Durch den Zer- fall des langlebigen U-238 entstehen fortlau- fend radioaktive Nuklide mit teilweise sehr kurzen Halbwertszeiten. Am Ende dieser natürlichen Zerfallsreihe bildet sich das stabile Bleiisotop Pb-206. Radon (Rn) ist ein Edelgas. Rn-222 ist ein Zerfallsprodukt des Radium und hat eine Halbwertszeit von 3,8 d. Das aus dem Erdinneren strömende Gas kann sich in schlecht belüfteten Räumen sam- meln und bildet wegen seiner ebenfalls radioaktiven Zerfallsprodukte eine we- sentliche Quelle der natürlichen Strah- lenbelastung (im Mittel etwa 1 mSv/a). 44 Kernphysik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv