Comment Bitte beachten Sie:
  • Alle Autoren akzeptieren mit dem Upload ihres Werkes die PhySX-Nutzungsbedingungen !
  • Sämtliche urheberrechtlich geschützte Medien, d.h. nicht-selbst erstellte Bilder, Medien und Videos werden kommentarlos gelöscht!

Radioaktive Strahlung im Magnetfeld

Aus PhySX - Physikalische Schulexperimente Wiki
Wechseln zu: Navigation, Suche
Radioaktive Strahlung im Magnetfeld
kurzer Infotext zum Bild

Untersuchung des Verhaltens der radioaktiven Strahlung eines Auernetz-Präparates im Magnetfeld

Kurzbeschreibung
Das Zielexperiment dient der Untersuchung der elektrischen Ladung radioaktiver Strahlung und weiterführend der Identifizierung der Teilchenart.
Kategorien
Atom- und Kernphysik
Einordnung in den Lehrplan
Geeignet für: Klasse 7 bis Sek. II
Basiskonzept: Wechselwirkung
Sonstiges
Durchführungsform Demoexperiment, Schüler*innen-Experiment
Anzahl Experimente in dieser Unterkategorie 3
Anspruch des Aufbaus leicht
Informationen
Name: Mattias Stellbaum
Kontakt: stellbam@hu-berlin.de
Uni: Humboldt-Universität zu Berlin
Betreuer*in: Dr. Franz Boczianowski
This box: view  talk  edit  

Nachdem Henry Becquerel 1896 die erste Beobachtung radioaktiver Strahlung gelang, wurden 1899 Eigenschaften wie elektrische Ladung von radioaktiven Strahlen oder die unterschiedlichen Arten radioaktiver Strahler entdeckt (vgl. Demtröder [1] (2010), S. 43). In drei Versuchen sollen diese Erkenntnisse experimentell untersucht werden. Die Experimente sollen grundlegende Eigenschaften der radioaktiven Strahlung SchülerInnen gerecht untersuchen.


Didaktischer Teil

1896 führte Henry Becquerel die erste Beobachtung von Radioaktivität an Uransalzen durch. Innerhalb weniger Jahre wurde 1899 herausgefunden, dass es unterschiedliche Arten von Teilchen gibt, die sich unterschiedlich in Magnetfeldern verhalten. Dies trug u.a. maßgeblich zu der Entwicklung der heutigen Vorstellungen von Atomkernen bei (vgl. Demtröder [1] (2010), S. 43). Neben der Physik findet die Radioaktivität heutzutage in vielen Bereichen, z.B. der Technik, der Biologie oder Medizin Anwendung und ist daher auch in der allgemeinen Bildung von Bedeutung.

Die Schülerinnen und Schüler (im weiteren Verlauf als SuS bezeichnet) werden heute schon sehr frühzeitig mit dem Begriff „Strahlung“ konfrontiert. Strahlung findet in vielen Lebensbereichen Einzug, von alltäglichen umgangssprachlichen Begriffen wie Sonnenstrahlung oder Handystrahlung bis zu Fachbegriffen wie Wärmestrahlung oder radioaktiver Strahlung. In diesem Zusammenhang ist es sehr interessant, welche Präkonzepte sich bei den SuS zum Thema radioaktive Strahlung bilden. „Die Kenntnis von Schülervorstellungen ist die wichtigste Lernvoraussetzung“ (vgl. Kircher [2] (2009), S. 64). Aus einer Studie von S. Neumann und M. Hopf (vgl. Hopf, Neumann [3] (2011)), die Schülervorstellungen und Einstellung bzw. Haltungen der SuS zum Thema Strahlung in den Jahrgangsstufen 4 – 9 untersucht haben, hat sich ergeben, dass die SuS zwar eine Vielfalt an Assoziationen zum Begriff Strahlung haben, das fachliche Hintergrundwissen der SuS in allen Jahrgangsstufen jedoch zahlreiche Mängel aufweist. So wurde beispielsweise von einigen SuS jeder Jahrgangsstufe der Begriff „Handystrahlung“ nicht mit den vom Handy ausgesendeten elektromagnetischen Wellen, sondern mit dem Leuchten des Displays bzw. der Tasten des Mobiltelefons gleichgesetzt. Weiterhin konnte von den SuS das Wellenbild der Strahlung nicht fachlich begründet werden. Die SuS stellten sich Strahlung u.a. als radialen Strahlenkranz um das Objekt vor. Desweiteren ist der Begriff „Strahlung“ bei älteren SuS oft negativ konnotiert, da die Vorstellung über das Gefahrenpotential schädigender Strahler (z.B. Röntgenstrahlung o. UV-Strahlung) auf Strahler mit sehr geringem Gefahrenpotential übertragen wird. Die Studie ergab, dass die SuS Mobilfunkstrahlung zu

60% als gefährlich,

17% als von der Dosis abhängig gefährlich,

15% die Thematik als noch nicht erforscht und

6% als ungefährlich einstuften,

während 2% der SuS dazu kein Wissen angaben (vgl. Hopf, Neumann [3] (2011), S. 48). Dies führte soweit, dass die meisten Geräte, die elektromagnetische Wellen aussenden, als gefährlich eingestuft werden. Die Bedeutung der Differenzierung von Strahlung zu vermitteln, sollte daher ein Ziel des Schulunterrichts sein.

Die SuS bei solchen Vorstellungen „abzuholen“ und ihnen die korrekte Natur der radioaktiven Strahlung näherzubringen, ist das Ziel dieser Versuchsreihe. Die Versuche sollten deshalb in einer gewählten Reihenfolge durchgeführt werden. Im ersten Versuch wird daher die Umgebungsstrahlung untersucht, damit die SuS eine klare Trennung der Umgebungsstrahlung von der später zu untersuchenden radioaktiven Strahlung ziehen können. Im zweiten Versuch wird dann die Charakteristik eines nicht-isotrop strahlenden Präparates untersucht. Dieser Versuch würde dem Verständnis zur Ausbreitung und Abschirmung von Strahlung dienlich sein. Aufgrund der Abgrenzung des Präparates durch den Versuchsaufbau können auch allgemeine Grenzen des Experimentes mit den SuS besprochen werden. Dies könnte durch weitere Versuche, die das Abstandsgesetz der Ausbreitung und die materialabhängige Absorption radioaktiver Strahlung verdeutlichen, unterstützt werden. Der Zielversuch dieser Versuchsreihe soll die Untersuchung des Verhaltens radioaktiver Strahlung im Magnetfeld sein. Dies hat, wie oben beschrieben, historischen Bezug zur Entdeckung der radioaktiven Strahlung und soll die Eigenschaft der elektrischen Ladung von radioaktiver Strahlung zeigen. In weiterführenden Versuchen können dann Präparate verwendet werden, deren radioaktive Strahlung verschiedene elektrische Ladungen aufweisen, um dadurch sowohl unterschiedliche Ladungen als auch verschiedene Teilchenarten (α-, β-, γ-Teilchen) zu untersuchen. Die SuS würden bei diesen Versuchen einige Eigenschaften der radioaktiven Strahlung kennenlernen, was zum Verständnis dieser Strahlung stark beiträgt.

Versuchsanleitung

Die Versuche wurden mit Hilfe der Materialien und Anleitung der Firma Mekruphy durchgeführt. Für den Magnetfeldversuch wurde ein anderer Magnet verwendet. Sämtliche verwendeten Präparate aus dem Mekruphy-Koffer liegen unterhalb der Freigrenze (vgl. Strahlenschutzverordnung [4]) und können daher bedenkenlos von der Lehrkraft sowie von den SuS verwendet werden.

1. Nulleffekt

Die Zählung der Nullrate ist notwendig, um bei späteren Messungen den Wert der Umgebungsstrahlung (Nulleffekt) subtrahieren zu können. Dies dient desweiteren dazu, die SuS zwischen Umgebungsstrahlung und Strahlung des radioaktiven Präparats unterscheiden zu können. Zudem wird die Funktionsweise des Messgeräts Inspector bekannt gemacht.

Aufbau

Abb. 1: Messgerät Inspector
Abb. 2: Detektor

Für diesen Versuch wurden folgende Materialien verwendet: - Messgerät Inspector (Firma Mekruphy GmbH)

Das Messgerät wird an einer beliebigen Stelle im Raum positioniert.

Durchführung

Das Messgerät wird eingeschaltet und auf 4min eingestellt. Dann erfolgt die Zählung der vom Detektor detektierten Impulse. Es wurden 4 Messungen durchgeführt.

Ergebnisse

Impulse/4min Nullrate (Impulse/min)
141 35,25
148 37,00
145 36,25
135 33,75

Auswertung

Als Mittelwert ergab sich 35,56 mit einer Standardabweichung von 1,41. Da der Mittelwert der Nullrate 35,56 beträgt, wird in späteren Experimenten mit einem gerundeten Wert von 36 gerechnet. Die Nullrate wird in späteren Messungen von der ermittelten Impulsrate abgezogen, woraus sich die bereinigte Impulsrate ergibt.

2. Richtung der Abstrahlung

Zur Untersuchung der Strahlung im Magnetfeld muss zunächst die Abstrahlungsrichtung ohne Magnetfeld untersucht werden, da beim Präparat mögliche Inhomogenitäten auftreten könnten.

Aufbau

Abb. 3: Blatt mit eingezeichneten Winkeln

Für diesen Versuch wurden folgende Materialien verwendet:

- Messgerät Inspector

- Messgeräthalterung

- Präparat Auernetz

- Präparathalterung

- Blatt mit eingezeichneten Winkeln

Das Blatt liegt auf dem Tisch. Das Präparat wird in der Halterung auf der gekennzeichneten Stelle positioniert, sodass die Öffnung in Richtung Detektor zeigt. Das Messgerät wird in der Halterung an einem vorgegebenen Winkel positioniert. Der Detektor ist zum Präparat hin ausgerichtet (siehe Abb. 4).

Abb. 4: Anordnung zur Abstrahlrichtung

Durchführung

Das Messgerät wird eingeschaltet und auf 3min eingestellt. Diese Messung wurde nun separat für alle Winkel in 10°-Schritten von -70° bis 70° durchgeführt.

Ergebnisse

Winkel α Impulse/3min Impulsrate Z
1239 413 377
-10° 1205 401,67 365,67
-20° 1089 363 327
-30° 1025 341,67 305,67
-40° 845 281,67 245,67
-50° 687 229 193
-60° 516 172 136
-70° 320 106,67 70,67
10° 1169 389,67 353,67
20° 1074 358 322
30° 999 333 297
40° 803 267,67 231,67
50° 640 213,33 177,33
60° 478 159,33 123,33
70° 298 99,33 63,33

Z = bereinigte Impulsrate = Impulsrate - Nullrate

Auswertung

Abb. 5: Bereinigte Impulsrate über den Winkel

Im Rahmen der Versuchsanleitung von Mekruphy wurden alle Kommastellen auf die nächst höhere ganze Zahl gerundet.

Das Ergebnis zeigt eine Abnahme der detektierten Impulse mit zunehmendem Betrag des Winkels. Diese Erkenntnis ist wichtig, da gezeigt wurde, dass das Präparat bei diesem Versuchsaufbau nicht isotrop strahlt, sondern, möglicherweise durch die Plastikdose oder die Halterung, begrenzt ist. Für den folgenden Versuch ist dies von Belang, da die Zählung der Impulse im Magnetfeld auch von der Ausrichtung des Messgerätes zum Präparat abhängig ist.

3. Verhalten der radioaktiven Strahlung im Magnetfeld

Dieser Versuch ist das Hauptexperiment und dient der Untersuchung der elektrischen Ladung radioaktiver Strahlung sowie weiterführend der Teilchenart. Beides wird im Magnetfeld untersucht.

Die im Magnetfeld auf eine bewegte Ladung einflussnehmende Kraft ist die Lorentz-Kraft.

 \vec{F_\text{L}} = \text{Q} \text{·} (\vec{v}\times\vec{B})

Die Richtung der bewegten Ladung kann mit Hilfe der Drei-Finger-Regel im Schulunterricht vorhergesagt werden. Der Daumen entspricht dabei der Richtung der bewegten Ladung, der Zeigefinger entspricht der Feldlinienrichtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger entspricht der Richtung der Lorentz-Kraft.

Aufbau

Abb. 6: Aufbau des Magneten
Abb. 7: Aufbau des Magnetfeldversuchs

Für diesen Versuch wurden folgende Materialien verwendet:

- Messgerät Inspector

- Messgeräthalterung

- Präparat Auernetz

- Präparathalterung

- Blatt mit eingezeichneten Winkeln

- Magnet

- Halterung für Magnet

- Stativmaterial

Der verwendete Magnet wurde nicht aus dem Mekruphy-Koffer verwendet, da der von Mekruphy vorgegebene Magnet aufgrund von Abschirmung des Präparats durch den Magneten als nicht sinnvoll erachtet wurde. Stattdessen wurde ein aus zwei magnetischen Platten bestehender Magnet verwendet, der ein homogenes Magnetfeld erzeugt. Dieser wurde vor dem Präparat positioniert und die Platten auf einen Abstand gebracht, der dem Durchmesser der Auernetz-Dose gleich ist. Die Anordnung der anderen Gerätschaften entspricht der aus dem vorangehenden Versuch. Als Halterung des Magneten wurden Stativhalter verwendet, die den Magneten auf der Höhe der Auernetz-Dose hielten.

Durchführung

Die Durchführung dieses Versuchs erfolgte analog zur Durchführung des vorangegangenen Versuches, diesmal mit integrierten Magneten.

Ergebnisse

+ + + - - -
Winkel α Impulse/3min Impulsrate Z Impulse/3min Impulsrate Z
572 190,67 154,67 595 198,33 162,33
-10° 517 172,33 136,33 555 185 149
-20° 421 140,33 104,33 659 219,67 183,67
-30° 396 132 96 657 219 183
-40° 332 110,67 74,67 575 191,67 155,67
-50° 269 89,67 53,67 470 156,67 120,67
-60° 196 65,33 29,33 292 97,33 61,33
-70° 188 62,67 26,67 220 73,33 37,33
10° 652 217,3 181,3 498 162,67 126,67
20° 641 213,67 177,67 444 148 112
30° 656 218,67 182,67 382 127,33 91,33
40° 533 177,67 141,67 358 119,33 83,33
50° 475 158,33 122,33 282 94 58
60° 316 105,3 69,3 220 73,3 37,3
70° 256 85,33 49,33 215 71,67 35,67

+ = Magnetfeldlinienrichtung nach oben; - = Magnetfeldlinienrichtung nach unten

Auswertung

Abb. 8: Ergebnis für Magnetfeldlinienrichtung nach unten
Abb. 9: Ergebnis für Magnetfeldlinienrichtung nach oben
Abb. 10: Modell zum Verhalten von Teilchen im Magnetfeld

Anhand der Ergebnisse kann man erkennen, dass die vom Auernetz abgegebene Strahlung eine überwiegend negative Ladung hat. Positiv geladene Teilchen wären entsprechend der Ausrichtung des Magnetfeldes in die jeweils andere Richtung abgelenkt worden. Neben der Erkenntnis über die elektrische Ladung können auch die Strahlungsarten im Magnetfeld untersucht werden. Da die abgegebene Strahlung eine negative Ladung hat, ist zu vermuten, dass es sich beim Auernetz um einen β--Strahler handelt. Die Ergebnisse entsprechen den Erwartungen für einen β-Strahler (vgl. Demtröder [5] (2010), S. 31). Die höchsten Werte liegen im Falle der Magnetfeldrichtung nach oben bei einem Winkel von 30°, im Falle der Magnetfeldrichtung nach unten bei einem Winkel von -20°. Auernetz enthält tatsächlich Thorium (Th-228), welches durch α-Zerfall zu Radium-224 zerfällt. Die α-Teilchen durchdringen jedoch nicht die Plastikdose und hätten nicht die notwendige Reichweite, um den Detektor zu erreichen. Eine mögliche Erklärung, dass β-Strahlung detektiert wurde liegt darin, dass ein Folgeprodukt in der Thorium-Zerfallsreihe Blei (Pb-212) ist, welches über β-Zerfall zu Bismut (Bi-212) zerfällt. γ-Teilchen (also Photonen) hätten ein Maximum bei 0° zur Folge, da sie elektrisch neutral sind und daher nicht vom Magnetfeld beeinflusst werden. Es kann diskutiert werden, ob es sich bei einem Teil der Strahlung auch um ungeladene Photonen handeln könnte, jedoch haben die vorangehenden Versuche für die Winkelabhängigkeit der Abstrahlung gezeigt, dass sich die Strahlung nicht isotrop ausbreitet und daher bei einem Winkel von 0° automatisch hohe Werte erhalten werden.

Das Experiment bietet leider keine Aussagemöglichkeiten über das Verhalten von α-Teilchen, da die Absorptionsrate durch die Plastikdose zu groß, die Beschleunigung und die daraus resultierende Reichweite der α-Teilchen zu gering und das Magnetfeld selbst zu schwach ist. Daher müssen diese Informationen der Literatur entnommen werden. So werden β-Teilchen in einem Versuch mit den notwendigen Voraussetzungen (also keine Abschirmung der Strahlung, ausreichende Beschleunigung der Teilchen und entsprechend starkes Magnetfeld) aufgrund ihrer wesentlich geringeren Masse deutlich früher abgelenkt als α-Teilchen, die wesentlich massereicher sind (vgl. Demtröder [5] (2010), S. 31). β-Teilchen würden daher bei wesentlich höheren Beträgen der Winkel ihr Maximum erreichen (vgl. Renner [6] (2012), S. 19), was jedoch aufgrund des verwendeten Magnetfeldes für dieses Experiment nicht vergleichbar ist. Die aus der Theorie entnommenen Erkenntnisse für ein Experiment mit idealen Voraussetzungen sind, dass positiv und negativ geladene Teilchen in unterschiedliche Richtungen abgelenkt, die verschiedenen Teilchenarten bedingt durch ihre Masse im Falle von β-Teilchen früher, im Falle von α-Teilchen später abgelenkt werden. Damit ließen sich bei einem Magnetfeldversuch mit den richtigen Voraussetzungen die Teilchenarten eindeutig bestimmen. In Abb. 10 ist ein Verhalten der Strahlung unter idealen Voraussetzungen modellhaft dargestellt (vgl. Demtröder [5] (2010), S. 31).

Eine weitere Möglichkeit zur Untersuchung der Strahlungsart wäre ein Abschirmungsversuch. Dabei würden die Teilchen durch verschieden Materialien (Plastik, Aluminium, Stahl, usw.) abgeschirmt und detektiert werden. α-Teilchen würden kaum detektiert werden, da sie von allen Teilchen die größte Absorptionsrate haben. β-Teilchen würden nur teilweise absorbiert werden, während γ-Teilchen durchgehend detektiert werden würden.

Sicherheitshinweise

Allgemein ist ein vorsichtiger Umgang mit dem Messgerät Inspector zu empfehlen. Das Messgerät sollte möglichst nicht grob geschüttelt oder fallen gelassen werden. Im Falle von SchülerInnen-Versuchen sind die allgemeinen Sicherheitsbestimmungen für den Physikunterricht einzuhalten. Erhöhte Sicherheitsmaßnahmen bezüglich der Präparate sind nicht notwendig, da die Präparate weit unter der Freigrenze liegen (vgl. Strahlenschutzverordnung [4]) und daher keine besondere Behandlung benötigen. Zudem ist ein Verschlucken der Präparate sehr unwahrscheinlich, da diese in Plastikdosen eingeklebt wurden.

Literatur

  1. 1,0 1,1 Demtröder, W. (2010): Experimentalphysik 4 - Kern-, Teilchen- und Astrophysik; Springer Verlag Berlin Heidelberg New York
  2. Kircher, E., Girwidz, R., Häußler,P. (2009): Physikdidaktik - Theorie und Praxis; Springer Verlag Berlin Heidelberg
  3. 3,0 3,1 Neumann,S., Hopf, M. (2011): "Ich sehe ja, dass die Tasten strahlen!" - Was sich Schülerinnen und Schüler unter "Handystrahlung" vorstellen, PdN Physik in der Schule, Heft 7/60
  4. 4,0 4,1 Verordnung über den Schutz von Schäden durch ionisierende Strahlung - StrlSchV (20.07.2001, geändert 2012), Bundesministerium der Justiz und für Verbraucherschutz
  5. 5,0 5,1 5,2 Demtröder, W. (2010): Experimentalphysik 3 - Atome, Moleküle und Festkörper, Springer Verlag Berlin Heidelberg
  6. Renner, A. (2012): Radioaktivität in der Schule - Experimente im Physikunterricht, Staatsexamen, Albert-Ludwigs-Universit?at Freiburg

Siehe auch

Hier können Sie auf andere Artikel im Wiki verweisen, die entweder Ihren Versuch anders darstellen oder thematisch sehr dicht an Ihren Artikel liegen. Fügen Sie dazu einfach einen internen Link ein.