Tosun - JKU
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SVPRAKTIKUM Wintersemester 01/02<br />
von<br />
<strong>Tosun</strong> Muhammet (9856877)<br />
Kernphysik<br />
UNTERSTUFE<br />
1) GRUNDLAGEN 1<br />
a) Motivation 1<br />
b) Vorraussetzungen 1<br />
c) Lernziele lt. Lehrplan<br />
2) EIN BISSCHEN THEORIE 2<br />
3) VERSUCHE 5<br />
a) Versuchsbeschreibung 5<br />
b) Bestimmung der Nullrate 7<br />
c) Bestimmung der Zählrate 8<br />
d) Abstandsgesetz 9<br />
e) Lage des Zählrohres relativ zur Strahlungsquelle 10<br />
f) Ablenkung des Magnetfeldes 11<br />
g) Abschwächung von Alpha-, Beta-, und Gammastrahlung 13<br />
4) ALLGEMEINE BEMERKUNGEN 15<br />
5) GRUPPENARBEIT/ARBEITSBLÄTTER 15<br />
0
1) GRUNDLAGEN<br />
a) Motivation<br />
Bei der Thematik Kernphysik scheint ein Bezug zum Alltag sehr einfach realisierbar<br />
zu sein. Gerade in der letzten Zeit liest man immer über Atomkraftwerke und wie<br />
gefährlich sie sind,... Hier scheint es mir möglich zu sein, die Aufmerksamkeit sogar<br />
von Schülern zu erlangen, welche normalerweise eher als passiv bezeichnet werden<br />
können. Natürlich ist eine entsprechende Aufarbeitung seitens des Lehrers von<br />
Nöten, ohne dabei auf die Physik zu vergessen. Dieses Kapitel wird in der 4.Klasse<br />
und in der 8. Klasse behandelt, wobei gerade in der letzten Klasse ein Bezug zur<br />
Umwelt hergestellt werden kann und soll. Ein fächerübergreifende Behandlung von<br />
Themen wie Atombomben (Geschichte, politische Konsequenzen, Gefahren),<br />
Atomkraftwerken (Aktuelle Diskussion, Gefahren für Österreich, Österreich<br />
Sonderstellung) wäre denkbar, förderlich.<br />
Ich werde im folgenden die Möglichkeiten für die 4.Klasse erarbeiten.<br />
Vorraussetzungen<br />
Man muss sich überlegen auf welchem Wissen man aufbauen kann. In der<br />
Unterstufe kann davon ausgegangen werden, dass den Schülern/innen die<br />
grundlegenden Begriffe wie Elektronen, Protonen, Neutronen,... bekannt sind. Auch<br />
im Chemieunterricht sollte der Atomaufbau besprochen worden sein.<br />
Dennoch sollte man hier alle notwendigen Begriffe nochmals einführen, da man<br />
davon ausgehen muss, dass dieses Vokabular seitens der Schüler/innen vergessen<br />
worden ist.<br />
Lernziele lt. Lehrplan<br />
Das radioaktive Verhalten der Materie<br />
Ausgehend von Alltagserfahrungen der Schülerinnen und Schüler soll ein<br />
grundlegendes Verständnis wichtiger Vorgänge in Atomkernen erzielt werden.<br />
Einsichten in Veränderungen im Atomkern als Ursache der „Radioaktivität“ gewinnen<br />
(Eigenschaften von Alpha-, Beta-, und Gammastrahlen);<br />
Radioaktiven Zerfall als ständig auftretenden Vorgang erkennen;<br />
Grundlegende Vorgänge bei der Energieumsetzung in der Sonne, in Sternen und<br />
Kernreaktionen verstehen können (Kernfusion, Kernspaltung).<br />
1
2) EIN BISSCHEN THEORIE<br />
Entdeckung der Radioaktivität<br />
Der französische Physiker Henri Becquerel entdeckte im Jahre 1896 die radioaktive<br />
Strahlung. Er ließ zufällig ein Stück Uranerz einige Tage auf einer verpackten<br />
Fotoplatte liegen. Nach dem Entwickeln zeigte die Fotoplatte eine zunächst<br />
unerklärliche Schwärzung.<br />
Becquerel fand eine Erklärung für die Schwärzung des Films. Uran sendet<br />
unsichtbare Strahlen aus, die das Verpackungsmaterial durchdringen und eine<br />
Fotoplatte (oder einen Film) schwärzen können.<br />
Uran sendet unsichtbare Strahlen – radiaktive Strahlen- aus. Diese Eigenschaft des<br />
Uranerzes wird als Radioaktivität bezeichnet.<br />
Der Aufbau der Atome<br />
Jedes Element ist aus gleichartigen Atomen aufgebaut. Es gibt so viele Atomarten<br />
wie Elemente.<br />
Ein Atom besteht aus Kern und Elektronenhülle. Der Kern ist aus Protonen und<br />
Neutronen aufgebaut. Protonen sind positiv geladene Teilchen. Neutronen sind<br />
elektrisch neutral. Fast die gesamte Masse eines Atoms ist im Kern vereinigt.<br />
Zu jedem Elementnamen gibt es eine Kurzbezeichnung, das chemische Symbol: H<br />
für Wasserstoff, He für Helium, U für Uran usw. In der Physik werden zum<br />
chemischen Symbol noch die Anzahl der Protonen und Neutronen dazugeschrieben.<br />
2 1H wobei die obere Zahl die Anzahl der Neutronen plus Protonen ist und die untere<br />
Zahl die Anzahl der Protonen darstellt. Die obere Zahl wird auch Massenzahl und die<br />
untere Zahl Ordnungszahl genannt.<br />
Die Masse eines Elektrons ist nur 1/1837 der Masse des Protons. Die Masse der<br />
Neutronen ist nur um 0,14% größer als die des Protons.<br />
Isotope<br />
Atome, deren Kern sich nur in der Anzahl der Neutronen unterscheiden, heißen<br />
Isotope. Die Isotope eines Elementes stehen im Periodensystem an derselben Stelle<br />
(isos topos =an derselben Stelle). 1 1H, 2 1H, 3 1H sind Isotope des Elementes<br />
Wasserstoff.<br />
Entstehung der radioaktiven Strahlung<br />
Radioaktive Strahlung entsteht, wenn große Kerne aufgrund ihrer Größe zerfallen,<br />
oder wenn das Verhältnis der Anzahl der Protonen zur Anzahl der Neutronen nicht<br />
passt.<br />
Strahlungsarten<br />
Beim radioaktiven Zerfall von z.B. Uran wird ein Alpha-Teilchen ausgestoßen. Dieses<br />
besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Durch diese Abgabe eines Alpha-<br />
Teilchens sinkt die Ordnungszahl um 2 und die Massenzahl um 4.<br />
Beim radiaktiven Zerfall des Kalium wird ein Elektron abgestoßen. Es entsteht bei der<br />
Umwandlung eines Neutrons in ein Proton. Die ausgestoßenen Elektronen<br />
2
ezeichnet man als Beta-Teilchen bzw. Beta-Strahlung.<br />
Meist tritt neben der Alpha-Strahlung und der Beta-Strahlung noch eine dritte<br />
Strahlungsart auf, die Gamma-Strahlung. Während Alpha- und Beta-Strahlung<br />
Teilchenstrahlungen sind, ist die Gamma-Strahlung eine elektromagnetische Welle<br />
wie Radiowellen oder Licht. Allerdings besitzt die Gamma-Strahlung eine wesentlich<br />
höhere Energie als Licht und ist daher sehr gefährlich.<br />
Alpha-Teilchen sind positiv geladen (zwei Protonen), Beta-Teilchen sind negativ<br />
geladen (ein Elektron) und die Gamma-Strahlen sind besonders energiereiche<br />
elektromagnetische Wellen.<br />
Reichweite radioaktiver Strahlung<br />
Bereits eine dünne Papierschicht kann Alpha-Strahlen vollständig absorbieren. In<br />
Luft haben Alpha-Strahlen eine Reichweite von einigen Zentimetern. Beta-Strahlung<br />
wird beim Durchgang durch Beton- oder Bleiplatten geschwächt, aber nicht<br />
vollständig absorbiert. Die Reichweite in Luft beträgt viele Kilometer.<br />
Zerfallsgeschwindigkeit<br />
Die Geschwindigkeit des radiaktiven Zerfalls lässt sich durch die Halbwertszeit<br />
angeben. Innerhalb eines Halbwertszeit zerfällt die Hälfte der gerade vorhandenen<br />
Kerne. Je kürzer die Halbwertszeit ist, desto schneller zerfällt ein Radioisotop und<br />
desto kurzlebiger ist es. Jedes Radioisotop besitzt eine ganz bestimmte<br />
Halbwertszeit:<br />
131 Iod 8 Tage<br />
134 Cäsium 2,1 Jahre<br />
90 Strontium 28,5 Jahre<br />
137 Cäsium 30 Jahre<br />
14 Kohlenstoff 5730 Jahre<br />
40 Kalium 1,3 Milliarden Jahre<br />
238 Uran 4,5 Milliarden Jahre<br />
232 Thorium 14 Milliarden Jahre<br />
Aktivität<br />
Die Aktivität eines radioaktiven Stoffes gibt an, wie viele seiner Kerne pro Sekunde<br />
zerfallen. Daher ist die Aktivität um so größer, je größer die Masse und je kürzer die<br />
Halbwertszeit ist. Die Aktivität ist ein Maß für die Stärke der Radioaktivität eines<br />
Stoffes.<br />
Die Einheit der Aktivität ist 1 Becquerel (1 Bq). 1 Bq = 1 Kernzerfall pro Sekunde. Mit<br />
dem Zerfall der radioaktiven Substanz nimmt auch die Aktivität ab. Sie nimmt um so<br />
schneller ab, je kürzer die Halbwertszeit ist.<br />
Nachweis radioaktiver Strahlung<br />
Durch radioaktive Strahlung wird eine Fotoplatte, ähnlich wie beim Fotografieren<br />
„belichtet“.<br />
Bestimmte Stoffe (z.B. Zinksulfid) leuchten unter Einwirkung radioaktiver Strahlung<br />
3
auf.<br />
Radioaktive Strahlen können Elektronen aus einem Atom „herausschlagen“, also<br />
Atome ionisieren. Wird Luft ionisiert, so nimmt die Leitfähigkeit zu. Ein Elektroskop<br />
weist die Ionisation von Luft nach.<br />
In der Praxis ist das Elektroskop kein brauchbares Gerät, um radioaktive Strahlen<br />
nachzuweisen. Man verwendet dafür ein Zählrohr, einen sogenannten Geigerzähler.<br />
Ein Zählrohr knattert auch ohne ein radioaktives Präparat. Dieser sogenannte<br />
Nulleffekt wird durch die natürliche Strahlenbelastung hervorgerufen. Ein Teil, die<br />
kosmische Strahlung, stammt aus dem Weltraum. Der andere teil, die terrestrische<br />
Strahlung, stammt von radioaktiven Stoffen in der Erde.<br />
Gefahren der radioaktiven Strahlung<br />
Wirkt radioaktive Strahlung auf den Menschen ein, so spricht man von einer<br />
Strahlungsbelastung. Genauso wie die radioaktive Strahlung die Luft ionisiert, kann<br />
sie auch die Atome und Moleküle des menschlichen Körpers ionisieren. Bei der<br />
Ionisierung werden den Atomen und Molekülen Elektronen entrissen. Durch diese<br />
Veränderungen kommt es zu Strahlenschäden in den Zellen des Körpers. Eine<br />
starke Strahlenbelastung verursacht Krebserkrankungen oder gar den Tod. Bei<br />
geringen Strahlenbelastungen können Spätschäden auftreten, die sich erst viele<br />
Jahre später bemerkbar machen. Auch Erbschädigungen nachfolgender<br />
Generationen sind möglich.<br />
Energiedosis/Äquivalenzdosis<br />
Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlen geben Strahlungsenergie an einen Körper ab,<br />
wenn sie auf diesen treffen.<br />
Die gesamte absorbierte Strahlungsenergie pro kg wird als Energiedosis bezeichnet.<br />
Die Äquivalenzdosis ist die absorbierte Strahlungsenergie pro kg mit<br />
Berücksichtigung der biologischen Wirksamkeit der Strahlenart. Sie ist ein Maß für<br />
die Stärke der Strahlungsbelastung, also für den biologischen Schaden, den eine<br />
Strahlung anrichtet. Die Einheit der Äquivalenzdosis ist 1 Sievert (1 Sv).<br />
4
3) VERSUCHE<br />
Hier wurde ein „Experimentierkoffer“ von der Österreichischen kerntechnischen<br />
Gesellschaft (ÖKT) verwendet.<br />
Dieser Koffer beinhaltet:<br />
• Digitalzähler mit Netzgerät<br />
Die Zählzeiten können auf 1s, 10s, 100s, 1000s, „offen“ voreingestellt werden.<br />
Die Funktionen „Start“, „Stop“, „Nullstellung“, „Zähler ein“ sind sehr einfach<br />
einzustellen, sodass hier nicht näher darauf eingegangen wird.<br />
• Geiger-Müller-Zählrohr<br />
Allgemein besteht ein Zählrohr aus einem mit Gase gefülltem Rohr, in dessen<br />
Mitte axial ein Draht gespannt ist. Zwischen Draht und Rohrwand liegt eine<br />
Spannung von etwa 1 kV. Die durch ein dünnes Glimmerblättchen in das Zählrohr<br />
eintretende Strahlung ionisiert das Gas. Die Elektronen werden zum Draht hin<br />
beschleunigt und erzeugen durch Zusammenstöße mit weiteren Atomen<br />
lawinenartig weitere Ionen und Elektronen. Die Elektronen fließen über einen<br />
hochohmigen Widerstand ab und erzeugen so einen messbaren Stromimpuls.<br />
•<br />
•<br />
137 Cäsium-Quelle<br />
241 Am-Quelle<br />
• Diverse Platten und Halterungen<br />
• Da das radioaktive Präparat in die stiftähnliche Vorrichtung „eingebaut“ wurde,<br />
muss man bei der Nennung des Abstandes aufpassen. Das eigentliche<br />
radioaktive Präparat befindet sich p cm innerhalb des Stiftes. Um nun den<br />
tatsächlichen Abstand zu ermitteln zu können, muss zur Entfernung Zählrohr und<br />
Stift (a cm) p dazugezählt werden. Wir werden im folgenden die Entfernung a+p<br />
effektiver Abstand nennen.<br />
5
Aufgrund der Vollständigkeit der Ausrüstung, sind keine anderen Gerätschaften,<br />
Präparate,... notwendig.<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
In der Unterstufe ist es sehr schwer Versuche mit dem Zählrohr quantitativ<br />
auszuwerten. Sehr bald verliert man sich in statistische Details, welche für die<br />
Schüler/innen nicht nachvollziehbar sind.<br />
Deshalb bin ich der Meinung, dass diese Versuche lediglich qualitativ ausgewertet<br />
werden sollen.<br />
6
a) Bestimmung der Nullrate<br />
Die Versuchsanordnung entnehmen wir aus der Skizze.<br />
Um statistischen Fehler vorzubeugen stellen wir eine besonders lange Messzeit ein<br />
(1000s). Daraus können wir die Impulse pro Sekunde ermitteln.<br />
Zählrate = Impulse in 1000s / 1000s<br />
Achtung: Die radioaktiven Präparate nicht in unmittelbarer Nähe zum Zählrohr<br />
aufstellen.<br />
Messergebnisse:<br />
181 Ereignisse in 1000s. Daraus folgt die Nullrate mit 0,181 Ereignisse pro Sekunde.<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
Dieser Versuch lässt sich neben dem Unterricht durchführen. Am Anfang der Einheit<br />
stellt man die Versuchsanordnung her und gegen Ende der Einheit sieht man sich<br />
das Resultat an. Da die berühmten Geigerzähler-Geräusche bei der Bestimmung der<br />
Nullrate sehr bescheiden ausfallen, stört dieses „Ticken“ den Unterricht in keinster<br />
Weise.<br />
Für die Schüler ist es meist sehr faszinierend, wenn sie den direkten Beweis<br />
erlangen, dass rund um ihnen radioaktive Strahlung vorhanden ist.<br />
7
) Bestimmung der Zählrate<br />
Wie aus der Versuchsanordnung ersichtlich, verwenden wir hier 137 Cäsium.<br />
Beim Aufstellen des Zählrohres und des radioaktiven Präparates stellt sich die Frage<br />
des Abstandes, wobei für eine qualitative Auswertung dies nicht entscheidend ist.<br />
Bewährt hat sich ein effektiver Abstand von 3 cm (abweichend von der Skizze oben).<br />
Nicht vergessen: Zur Ermittlung der effektiven Zählrate muss die Nullrate<br />
berücksichtigt werden:<br />
Effektive Zählrate = Zählrate – Zählrate beim Nulleffekt<br />
Messergebnisse:<br />
Messzeit: 100 s<br />
Effektiver Abstand: 3 cm<br />
10 Messungen: 2513; 2457; 2515; 2590; 2407; 2426; 2177; 2298; 2211; 2211;<br />
Zählrate (pro s): 23,8<br />
Nullrate (pro s):0,18<br />
effektive Zählrate (pro s): 23,62<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
Bei diesem Versuch besteht die Möglichkeit die statistische Deutung des<br />
radioaktiven Zerfalles, auf eine einfache und klare Art und Weise, deutlich zu<br />
machen. Man kann zum Beispiel den Schülern/innen folgende Aufgabe stellen, die<br />
sie dann in Gruppen ausarbeiten<br />
Wir führen 5 Messungen zu je 10s durch:<br />
Messung 1 2 3 4 5<br />
Zerfälle 31 33 37 35 37<br />
Nun sollte im Unterricht dieses Ergebnis interpretiert werden: Es treten nicht immer<br />
gleich viele Zerfälle auf. Auch lässt sich die Anzahl der Zerfälle nicht beeinflussen. Im<br />
Mittel –vor allem über längere Zeiten- kann man aber angeben, wie viel von einer<br />
radioaktiven Substanz zerfällt.<br />
8
c) Abstandsgesetz<br />
Man misst die Stärke der radioaktiven Strahlung im Vergleich zum Abstand vom<br />
Präparat. Sinnvoll erscheint hier um den Messfehlern Einhalt zu gebieten, die<br />
Messzeit je nach Abstand einzustellen.<br />
effektive Abstand (cm) 3 5 7 9<br />
Messzeit (s) 100 100 100 100<br />
Zählrate ... ... ... ...<br />
effektive Zählrate ... ... ... ...<br />
Nicht vergessen: Zur Ermittlung der effektiven Zählrate muss die Nullrate<br />
berücksichtigt werden.<br />
Messergebnisse:<br />
Messzeit: 100 s<br />
effektiver Abstand 3 5 7 9<br />
Impulszahl 2380,5 955,2 504,0 296,9<br />
Zählrate 23,8 9,55 5,04 2,97<br />
effektive Zählrate 23,62 9,37 4,86 2,79<br />
Impulszahl<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
0<br />
0 2 4 6 8 10<br />
Abstand<br />
Das Abstandsgesetz ist indirekt proportional zu r 2 , hier aber vermisst man diese<br />
Tatsache. Der Grund liegt darin, dass das Präparat ja nicht in alle Richtungen gleich<br />
stark strahlen kann, da es in den Stift eingeschlossen ist.<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
Schüler/innen sollten nach diesem Versuch folgende Aussage treffen können: Je<br />
größer die Entfernung zu einer Strahlenquelle ist, desto geringer ist die<br />
Strahlenbelastung.<br />
9
d) Lage des Zählrohres relativ zur Strahlungsquelle<br />
Hier misst man die Strahlungsintensität in Abhängigkeit vom Winkel. Die Messdauer<br />
sollte auf man 100 s einstellen. Effektiver Abstand: 5 cm<br />
Winkel +45° +30° +15° 0° -15° -30° -45°<br />
Zählrate .... .... .... .... .... .... ....<br />
effektive Zählrate .... .... .... .... .... .... ....<br />
relative Zählrate .... .... .... 100% .... .... ....<br />
Die relative Zählrate ergibt sich aus Division der effektiven Zählrate durch die größte<br />
Zählrate und Multiplikation mit 100.<br />
Klarerweise wird sich die maximale Zählrate bei 0° befinden.<br />
Messwerte:<br />
Winkel +45° +30° +15° 0° -15° -30° -45°<br />
Impulszahl 160 172 299 867 305 140 147<br />
effektive Zählrate 1,42 1,54 2,81 8,49 2,87 1,22 1,29<br />
relative Zählrate(%) 16,73 18,14 33,10 100% 33,80 14,3715,19<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht: Den Schülern sollten hier folgende<br />
Tatsachen bewusst werden:<br />
Obwohl das radioaktive Material am stärksten in die offensichtliche Richtung strahlt,<br />
bleiben die anderen Richtungen nicht verschont. Wenn das Präparat nicht bewusst in<br />
den Stahlstift, in der vorderen sichtbaren Vertiefung eingebettet sein würde, wäre die<br />
Messungen für die diversen Winkel gleich groß (wenn man statistische Fehler mit<br />
einbezieht).<br />
Einen solchen Versuch in der Unterstufe durchzuführen halte ich für sinnlos. Man<br />
sollte die Schüler nicht mit Wissen und insbesondere spezifischen Wissen, wie es<br />
hier der Fall ist, überfordern.<br />
10
e) Ablenkung im Magnetfeld<br />
Messzeit: 100s<br />
effektiver Abstand: 4cm<br />
11<br />
Radioaktive Strahlung wird beim<br />
Durchgang durch ein Magnetfeld<br />
abgelenkt. Gamma-Strahlen<br />
werden in einem Magnetfeld nicht,<br />
die Alpha-Stahlen in eine und die<br />
Beta-Strahlen in die<br />
entgegengesetzte Richtung<br />
abgelenkt.<br />
Nordpol über Südpol<br />
Winkel +45° +30° +15° 0 -15° -30° -45°<br />
Zählrate .... .... .... .... .... .... ....<br />
effektive Zählrate .... .... .... .... .... .... ....<br />
Die gleiche Messung sollte zum Vergleich mit umgedrehtem Magneten (Südpol über<br />
Nordpol) erfolgen.<br />
Messwerte:<br />
Nordpol über Südpol<br />
Winkel +45° +30° +15° 0 -15° -30° -45°<br />
Impulszahl 117 103 91 121 110 317 411<br />
effektive Zählrate 0,99 0,85 0,73 1,03 0,92 2,99 3,93<br />
Südpol über Nordpol<br />
Winkel +45° +30° +15° 0 -15° -30° -45°<br />
Impulszahl 421 305 114 130 88 99 105<br />
effektive Zählrate 4,03 2,87 0,96 1,12 0,7 0,81 0,87
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
Die Schüler/innen sollten nach diesem Versuch die experimentelle Bestätigung der<br />
Ablenkung der Alpha- und Beta-Teilchen erhalten.<br />
Die Schüler/innen sollten vor diesem Versuch die Thematik „Magnet“ beherrschen.<br />
Zum Verständnis dieses Experimentes ist die Wirkung eines Magneten auf geladene<br />
Teilchen unerlässlich. Da aber die Magnetostatik auch in der 4.Klasse Unterstufe<br />
behandelt wird, sollte man darauf achten, dass die Reihenfolge lt. Lehrplan auch<br />
eingehalten wird.<br />
Ich würde diesen Versuch (so wie obigen) in der Unterstufe nicht durchführen, da es<br />
meiner Ansicht nach über das Ziel hinausgeht.<br />
Wenn man jedoch unbedingt diesen Versuch durchführen will sollte jedoch darauf<br />
achten den Versuch „Lage des Zählrohres relativ zur Strahlungsquelle“ und den<br />
Versuch „Ablenkung im Magnetfeld“ zu koppeln.<br />
Man kann die Zählrate bei den verschiedenen Winkeln einmal mit (Versuch1) und<br />
einmal ohne Magnetfeld (Versuch 2) ermitteln und wird dann darauf kommen, dass<br />
sich die Zählrate bei einigen Winkeleinstellungen deutlich erhöht, also ein Beweis für<br />
die Ablenkung der Strahlen. Hierbei ist es wichtig den effektiven Abstand nicht zu<br />
ändern.<br />
12
f) Abschwächung von Alpha-, Beta-, und Gammastrahlung<br />
*) Abschwächung von Alphastrahlen<br />
Versuch wird wie unten dargestellt aufgebaut. Zuerst wird ohne Absorber gemessen.<br />
Nachher misst man mit Absorber erneut die Zählrate. Nun vergleicht man beide<br />
Ergebnisse. Man kann davon ausgehen, dass hier lediglich die Alpha-Teilchen<br />
absorbiert worden sind.<br />
Die Messzeit beträgt 100s und der Abstand sollte nur einen Zenitmeter haben, da die<br />
Alpha-Teilchen nur wenige Zentimeter Reichweite besitzen.<br />
Material Luft Karton<br />
Impulszahl .... ....<br />
effektive ZR .... ....<br />
*) Abschwächung von Gamma-Strahlen<br />
Der Versuchsaufbau ist unterhalb ersichtlich (Abbildung 2). Das Magnetfeld bewirkt<br />
eine Ablenkung der Beta-Strahlen, sodass diese das Ergebnis nicht beeinflussen<br />
können. Zuerst misst man ohne Absorber. Nachher kann man diverse Platten wie<br />
Blei-, Plexiglas-, Aluminium- und Eisenplatten vor das Zählrohr geben und die<br />
Zählrate bestimmen. Somit hat man die Möglichkeit die einzelnen Materialen in<br />
Hinblick auf ihre Durchlässigkeit der Gammastrahlen zu bewerten.<br />
Material Luft Plexiglas Aluminium Eisen Blei<br />
Impulszahl .... .... .... .... ....<br />
effektive ZR .... .... .... .... ....<br />
13
*) Abschwächung der Betastrahlung<br />
Die Messanordnung sieht ähnlich aus wie die bei Abschwächung der<br />
Gammastrahlung (Abbildung 2), nur wird hier das Magnetfeld entfernt. Jetzt wird aber<br />
eine Mischstrahlung mit Beta- und Gammaanteil gemessen. Daher muss der in<br />
obigen Versuch ermittelte Gammaanteil subtrahiert werden. Natürlich muss hierbei<br />
der Abstand gleich bleiben, da ansonst die Subtraktion nicht machbar wäre.<br />
Material Luft Plexiglas Aluminium Eisen Blei<br />
Impulszahl .... .... .... .... ....<br />
effektive ZR .... .... .... .... ....<br />
ZR von β .... .... .... .... ....<br />
Bemerkungen zum Einsatz im Unterricht:<br />
Obwohl die Versuche inhaltlich einfacher Natur sind, stell ich mir diese für eine/n 14<br />
jährige/n Schüler/innen doch sehr kompliziert vor. Und da wie ich oben schon<br />
angedeutet habe eine quantitative Auswertung nicht für zweckmäßig halte, sehe ich<br />
auch in diesem Versuch nur einen demonstrativen Sinn.<br />
Die Schüler/innen sollen nach diesem Versuch die Theorie bestätigt bekommen, wie<br />
die einzelnen Strahlungsarten abgeschwächt werden können.<br />
Alternative Messung:<br />
Um die Einfachheit zu gewährleisten kann man, die verschiedenen<br />
Strahlungsabschwächungen zu einem Versuch zusammenfassen, indem man<br />
lediglich untersucht wie viel Strahlung durch x mm Blei hindurchdringen, unabhängig<br />
von der Strahlungsart. Effektive Abstand: 5cm. Messzeit: 100s<br />
Impulszahl mittlere Impulszahl effektive Zählrate<br />
ohne Blei: 1200; 1176; 1229; 1202 11,84<br />
1 mm Blei: 176; 181; 173; 177 1,59<br />
3 mm Blei: 140; 141; 143; 141 7,83<br />
5 mm Blei: 132; 106; 116; 127; 120 1,02<br />
8 mm Blei: 99; 94; 105; 99 0,81<br />
10 mm Blei: 80; 74; 100; 85; 85 0,67<br />
15 mm Blei: 64; 69; 68; 67 0,49<br />
Impulszahl<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
0 5 10 15 20<br />
Bleistärke (mm)<br />
14
4) ALLGEMEINE BEMERKUNGEN<br />
• Allgemein bin ich skeptisch gegenüber dem Einsatz obiger Versuche im<br />
Unterricht. Einerseits benötigen die Versuche sehr viel Zeit, andererseits kann<br />
man keine tiefgreifenden Versuchsergebnisse erwarten. Gerade in der Unterstufe,<br />
wo ein grossteil der quantitativen Ergebnisse wegfallen, finde ich die Versuche<br />
nicht angebracht. Lediglich die Nullrate und die Zählrate finde ich für die<br />
Unterstufe geeignet.<br />
• Die Bestimmung der Zählrate finde ich hingegen sehr brauchbar. Wie schon oben<br />
erwähnt besteht hier die Möglichkeit, an einem einfachen Versuch die Statistische<br />
Physik, eines der wichtigsten Kapitel der modernen Physik, zu besprechen. Ohne<br />
unzählige Definitionen neu einführen zu müssen, können hier die einzelnen<br />
Messergebnisse statistisch interpretiert werden.<br />
• Die „Tabellen“ die ich vorgefertigt habe, sind nicht nur für die quantitative<br />
Auswertung sondern auch für die qualitative Auswertung wichtig. Z.B. muss ich ja<br />
wissen wie groß die effektiven Zählraten bei der Abschwächung der<br />
Gammastrahlen sind um analysieren zu können, welches Material am besten<br />
dafür geeignet ist.<br />
Literaturverzeichnis:<br />
• Paul A. Tipler, „Physik“, Spektrum<br />
• ÖKT, „Versuche zur Radioaktivität“, Marzy und Rost<br />
• Ludick, Dopler, „Begegnung mit der Physik 4“<br />
• Fürnstahl, Wolfbauer, „Physik heute 4“<br />
• Paill, Schmut, Wahlmüller, „Physik4“<br />
5) GRUPPENARBEIT/ARBEITSBLATT<br />
Man kann auch die Möglichkeit einer Gruppenarbeit in Betracht ziehen:<br />
Die unten angeführten Arbeitsblätter sollten von einer Schülergruppe (3-5 Personen)<br />
ausgearbeitet werden. Bei einer Klasse mit 25 Schülern ergäbe dies eine<br />
Gruppenanzahl von 5 Stück. Also bräuchte man hier auch 5 Zählrohre und 5<br />
radioaktive Präparate.<br />
15
1. Nullrate<br />
Messzeit: 1000 s.<br />
Arbeitsblatt Radioaktivität<br />
Impulszahl: Nullrate:<br />
Erkläre warum wir 1000 s als Messzeit heranziehen statt 100 s:<br />
2. Zählrate bei verschiedenen Abständen:<br />
Ermittle den die Impulszahl, Zählrate und effektive Zählrate bei einem Abstand<br />
Quelle - Zählrohr von 3,5,7,9,11 cm:<br />
Messzeit: 100s.<br />
Abstand (cm) 3 5 7 9 11<br />
Impulszahl<br />
Zählrate<br />
Nullrate<br />
effektive Zählrate<br />
Vergleicht eure Werte mit den der anderen Gruppe. Warum unterscheiden sich die<br />
Werte:<br />
Zeichne nun ein Diagramm (Abstand zu Impulszahl):<br />
(Überlege dir ein passenden Maßstab)<br />
Erkläre nun mit eigenen Worten, was dir am Diagramm auffällt:<br />
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3. Abschwächung der Strahlen<br />
Ermittle die Impulszahl, Zählrate und effektive Zählrate bei verschieden dicken<br />
Bleiplatten:<br />
Abstand: 5 cm. Messzeit: 100s<br />
Bleidicke 1mm 3 mm 5 mm 8 mm 10 mm 15mm<br />
Impulszahl<br />
Zählrate<br />
Nullrate<br />
effekt. Zählrate<br />
Zeichne nun ein Diagramm (Bleidicke zu Impulszahl):<br />
Nimm für den Abstand 0 mm den richtigen Wert vom Punkt 2.<br />
(Überlege dir ein passenden Maßstab)<br />
Erkläre nun mit eigenen Worten, was dir am Diagramm auffällt:<br />
Was für eine Strahlung haben wir analysiert?<br />
Welche Strahlungsarten gibt es und bei welchen Schichten sinkt die<br />
Strahlungsenergie jeweils auf die Hälfte (Schulbuch !):<br />
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