2.3 Abschirmung von Betastrahlen. Aufgabe. Welche Stoffe eignen sich zur Abschirmung von β-strahlen?

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1 Naturwissenschaften - Physik - Radioaktivität - 2 Strahlenarten und ihre Eigenschaften (P ) 2.3 Abschirmung von Betastrahlen Experiment von: Phywe Gedruckt: :22:32 intertess (Version 3.06 B200, Export 2000) Aufgabe Aufgabe Welche Stoffe eignen sich zur Abschirmung von β-strahlen? Untersuche, welche Stärke verschiedene Stoffe haben müssen, um die Intensität der β-strahlen einer radioaktiven Strahlenquelle auf die Hälfte zu verringern. Raum für Notizen. Wenn Sie als Lehrer angemeldet sind, finden Sie nachstehend eine Schaltfläche für Zusatzinformationen. - -

2 Zusatzinformationen Da die Energiewerte der β-strahlen im Bereich von 0 bis zu einem Maximalwert kontinuierlich verteilt sind, lässt sich die Abhängigkeit von Stahlenintensität und Materialstärke nur näherungsweise durch das eigentlich für monoenergetische Strahlung geltende Exponentialgesetz beschreiben. Es lautet: I (x) = I 0 e -μx wobei μ der Schwächungskoeffizient und x die Materialstärke sind. Für den praktischen Umgang mit ionisierender Strahlung verwendet man den Begriff der Halbwertsdicke x /2. Ihr Wert lässt sich aus der grafischen Darstellung der Abhängigkeit von Zählrate und Materialstärke unmittelbar ablesen. Durch Vergleich der aus den grafischen Darstellungen ablesbaren Zahlenwerte für die unterschiedlichen Stoffe können sich Überlegungen über die Auswahl des günstigsten Abschirmmaterials anschließen. Die Halbwertsdicken x /2 verschiedener Stoffe hängen u.a. von ihrer Dichte ρ ab; deswegen verwendet man für die Beschreibung der Schwächung der β-strahlen statt der Materialstärke x häufiger die Flächenmasse f = x ρ mit der Maßeinheit mg/cm 2 und statt des linearen den Massenschwächungskoeffizienten μ* = μ / ρ. Das Schwächungsgesetz lautet dann: I (f) = I 0 e (-μ* f). Da die Schüler über die mathematischen Voraussetzungen zum Verständnis dieser Zusammenhänge nicht verfügen, ist es ausreichend, den anschaulichen Begriff der Halbwertsdicke zu verwenden. Die Abweichung vom Exponentialgesetz wird erkennbar, wenn die Messwerte in einem Koordinatensytem mit einfach-logarithmischer Achsenteilung dargestellt werden. Die bei der Gültigkeit des Exponentialgesetzes zu erwartende Proportionalität von log(z) und x bestätigt sich nur näherungsweise; da mit wachsender Absorberschichtdicke der Strahlungsanteil mit geringerer Energie immer mehr abnimmt, verläuft die Schwächungskurve mit wachsender Schichtdicke immer flacher

3 Hinweise zu Aufbau und Durchführung Die Schüler können in den vorbereitenden Unterrichtsstunden angeregt werden, aus verschiedenen Stoffen selbst Streifen der Abmessung 50 mm 00 mm für die Untersuchung vorzubereiten. Gut geeignet sind dafür Karteikarten, Projektionsfolien und Aluminiumfolien. Projektionsfolien sind für diesen Versuch besonders geeignet, weil infolge ihrer geringen Materialstärke im Bereich bis zur Halbwertsdicke x /2 mehrere Messungen möglich sind. Die Materialstärke lässt sich auch ohne Verwendung von Messschieber oder Mikrometer annähernd bestimmen, wenn eine hinreichend große Anzahl dieser Folien zusammengefasst werden. Falls nicht genügend Zeit für die Versuche zur Verfügung steht, kann, natürlich auf Kosten der Genauigkeit, auf die Wiederholung der Messungen und die Mittelwertbildung verzichtet werden. Außerdem lässt sich die Anzahl der Messungen dadurch verringern, dass mehrere Abschirmplatten zusammengefasst werden

4 Material Material Material aus "TESS advanced Physik Set Radioaktivität, RE" (Bestellnr ) Position Material Aufbauplatte zur Radioaktivität Bestellnr Menge 2 Zählrohrhalter, groß, auf Haftmagnet Geiger-Müller Zählrohr 45mm Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Radioactivity Abgeschirmtes Kabel BNC, l = 750 mm Columbit, natürliches Mineral Absorptionsmaterial Plattenhalter auf Haftmagnet Zusätzliches Material Karteikarten, 50 mm x 00 mm (Selbstanfertigung) Projektionsfolien, 50 mm x 00 mm (Selbstanfertigung) Für das Experiment benötigte Materialien - 4 -

5 Aufbau Aufbau Verbinde den Mobile-Link mit der Sensoreinheit (Abb. ). Abb. Stelle den Plattenhalter auf die Aufbauplatte (Abb. 2). Abb. 2 Spanne das Geiger-Müller-Zählrohr in den Zählrohrhalter ein, setze es so an den Plattenhalter, dass es sich senkrecht über der Aufbauplatte befindet und verbinde es mit der Sensoreinheit (Abb. 3-7)

6 Abb. 3 Abb. 4 Abb. 5 Abb. 6 Abb. 7 Lege den Behälter mit der Columbitprobe unter das Zählrohr (Abb. 8). Verschiebe vorsichtig das Geiger-Müller-Zählrohr, sodass der Abstand zwischen Zählrohr und radioaktiver Strahlenquelle etwa cm beträgt (Abb. 9)

7 Abb. 8 Abb. 9 Schalte den Mobile-Link ein und stelle im Menü unter dem Menüpunkt Sensor den Messbereich auf Impulsrate pro Minute und die Torzeit auf 30 Sekunden sowie unter dem Menüpunkt Datenlogger die Einzelwertmessung auf an. Abb

8 Durchführung Durchführung Starte die Messung durch Drücken der Bestätigungstaste. Nimm drei Werte auf und notiere den die Messwerte in Tabelle 2 auf der Ergebnisseite. Lege die dünnste Aluminium-Platte (x = 0,3 mm) auf den Behälter mit der Columbitprobe (Abb. ), messe die Zählrate dreimal und trage die Werte in Tabelle 2 ein. Abb. Wiederhole diesen Messvorgang für die in der Tabelle angegebenen Plattenstärken (Abb. 2). Abb. 2 Entferne die Aluminiumplatten. Führe die gleichen Versuchsreihen mit den Streifen aus Plexiglas, Karteikarten und Projektionsfolie durch. Notiere die Ergebnisse in den Tabellen 2 bis 5 (Abb. 3)

9 Abb. 3 Entferne die Aborptionsmaterialien und die Columbitprobe. Bestimme dreimal die Nullrate und trage die Messwerte in Tabelle ein

10 Ergebnisse Ergebnisse Tabelle Nulleffekt. Lfd. Nr. 2 3 Z 0 Z 0 in Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. Nulleffekt. Lfd. Nr. 2 3 Z 0 Z 0 in Tabelle 2 Material: Aluminium - 0 -

11 x in mm Z in Z 2 in Z 3 in Z in Z Z 0 in 0 0,3 0,5 0,8,0,5 2 Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. Material: Aluminium x in mm Z in Z 2 in Z 3 in Z in Z Z 0 in , , , ,

12 Tabelle 3 Material: Plexiglas x in mm Z in Z 2 in Z 3 in Z in Z Z 0 in Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. Material: Plexiglas x in mm Z in Z 2 in Z 3 in Z in Z Z 0 in Tabelle 4 Material: Karteikarten - 2 -

13 x in mm 0 0,3 0,6 0,9,2,5,8 2, 2,4 2,7 3,0 Z in Z Z 0 in Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. Material: Karteikarten - 3 -

14 x in mm 0 0,3 0,6 0,9,2,5,8 2, 2,4 2,7 3,0 Z in Z Z 0 in Tabelle 5 Material: Projektionsfolien x in mm 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,0 Z in Z Z 0 in - 4 -

15 Wenn du genau gemessen hast, solltest du ähnliche Werte erhalten haben. Material: Projektionsfolien x in mm 0 0, 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9,0 Z in Z Z 0 in

16 Auswertung Auswertung Frage Bestimme die Mittelwerte für die Nullrate und für die Impulsraten bei unterschiedlicher Abschirmung und trage die Werte in die Tabellen bis 5 auf der Ergebnisseite ein. Siehe Tabellen bis 5. Frage 2 Berechne die Differenzen der Mittelwerte der Zählraten und der Nullrate und trage die Ergebnisse in die Tabellen 2 bis 5 ein. Siehe Tabellen 2 bis 5. Frage 3 Untenstehend sind für die verschiedenen Materialien die Abhängigkeiten zwischen Materialstärke x und der Zählrate auf Grundlage der Messergebnisse aus den Tabellen 2 bis 5 graphisch dargestellt. Bestimme mit Hilfe der Diagramme die Halbwertdicken x /2, durch die die Strahlenintensität auf die Hälfte reduziert wird. Trage die Ergebnisse in die folgende Tabelle ein

17 Material Aluminium Plexiglas Karteikarten Projektionsfolien x /2 in mm nnnn nnnn nnnn nnnn - 7 -

18 - 8 -

19 - 9 -

20 - 20 -

21 - 2 -

22 - 22 -

23 - 23 -

24 Material Aluminium Plexiglas Karteikarten Projektionsfolien x /2 in mm

25 Frage 4 Welche Stärke müssten die verschiedenen Stoffe haben, wenn die Strahlenintensität auf / 4 des Wertes ohne Abschirmung reduziert werden soll? Trage deine Ergebnisse in die folgende Tabelle ein. Material Aluminium Plexiglas Karteikarten Projektionsfolien x /4 in mm nnnn nnnn nnnn nnnn Material x /4 in mm Aluminium Plexiglas Karteikarten Projektionsfolien,47 2,0 nicht ermittelbar nicht ermittelbar Frage 5 Welches Material eignet sich zur Abschirmung der β-strahlen am besten?

26 Für die Schwächung der β-strahlen eignet sich von den hier untersuchten Materialien Aluminium am besten. Je geringer die Dichte des Materials ist, um so stärkere Schichtdicken sind für die gleiche Schwächung erforderlich