EXP:Abschirmung von Betastrahlung
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
Bei diesem Experiment wird die Abschirmung von β-Strahlung experimentell untersucht. Dazu werden verschiedene Materialien zur Abschirmung verwendet.
Versuchsanleitung
Benötigtes Material
- Breadboard/Unterlage
- β-Strahler 90Sr mit Halterung
- Geiger-Müller-Zählrohr mit Halterung
- Zählgerät S
- magnetische Halterung für Abschirmungsmaterial
Verschiedene Materialien zum Abschirmen, jeweils 5 Platten:
- Plexiglas, je 1 mm
- Hartpapier, je 1 mm
- Aluminium, je 0,5 mm
- Aluminium, je 1 mm
- Eisen (verzinkt), je 1 mm
- Blei, je 1 mm
Versuchsaufbau
Der Aufbau ist verhältnismäßig simpel, da die Vorrichtungen für die radioaktive Probe und das Geiger-Müller-Zählror bereits für ThorLabs-Posts vorgesehen sind. Einige Postholder haben magnetische Füße. Wenn man diese verwendet, bietet es sich an eine der in der Abbildung sichtbaren Metallplatten als Untergrund zu verwenden. In unseresm Fall wurden diese zusätzlich auf einem Dragboard fixiert, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Um die abschirmenden Platten in Position zu halten, verwendet man ein Gestell mit Klemmvorrichtung, die auf wahlweise mehrere Platten zeitgleich aufnehmen kann. Diese Vorrichtung (das Gelbe im Bild) wurde stets einen Zentimeter vor dem Auslass der radioaktiven Probe positioniert. Das Geiger-Müller-Zählrohr der Firma Leybold ist einfach zu bedienen: Es wurden die Anzahl der Impulse in einem Zeitraum von 100 Sekunden gemessen. Die Ergebnisse je eines Messdurchganges kann man im folgenden Abschnitt einsehen. Je Material wurde ein Messung durchgeführt und die Anzahl der Impulse notierrt.
Es wurde noch eine zweite Messreihe durchgeführt, dieses Mal mit je zwei verschiedenen Materialien: Eine Kombination aus Aluminium und Plexiglas sowie eine Kombination aus Eisen und Plexiglas. Die Reihenfolge von Metall und Kunsstoff wurden dabei bewusst variiert, um einen interessanten Effekt zu beobachten (siehe Abschnitt Mögliche Probleme und ihre Lösungen).
Auswertung
In den folgenden Darstellungen ist die Nullrate bereits von den Werten abgezogen.
Erster Versuchsteil: Verschiedene Materialien gleicher Dicke
Zum Vergleich der Abschirmung von Betastrahlung durch verschiedene Materialien werden eine Platte der gleichen Dicke (1 mm) untersucht. Im Vergleich zu einer abschirmungsfreien Messung ergeben sich dabei:
| Material | Absorbierter Anteil nach Durchtritt von 1 mm Material |
|---|---|
| kein Material | 100,0 % |
| Plexiglas | 31,8 % |
| Hartpapier | 40,4 % |
| Aluminium | 61,3 % |
| Eisen | 99,7 % |
| Blei | 99,9 % |
Eine Untersuchung der jeweiligen Abschwächungskoeffizienten ist auch möglich. Die Auswertung ist vergleichbar mit der Auswertung für Gammastrahlung (siehe Abschirmung von Gammastrahlung). Der Vollständigkeit halber sollen an dieser Stelle dennoch Vergleichswerte für eine solche Messung bei Aluminium an dieser Stelle präsentiert werden.
| Dicke d des Aluminiums in mm | Zählrate pro 100 s |
|---|---|
| 0,0 | 22203 |
| 0,5 | 14734 |
| 1,0 | 8046 |
| 1,5 | 3817 |
| 2,0 | 1311 |
| 2,5 | 459 |
| 3,0 | 127 |
| 3,5 | 42 |
| 4,0 | 13 |
Zweiter Versuchsteil: Variationen von Metall-Plexiglas-Kombinationen
In folgendem Versuch kam die Strahlung von links, d.h. ging zuerst durch das Material, welches links steht bzw. zuerst genannt wird.
| Material 1 | Material 2 | Impulse pro 100 s |
|---|---|---|
| Plexiglas | Aluminium | 2996 |
| Aluminium | Plexiglas | 3375 |
| Plexiglas | Eisen | 12 |
| Eisen | Plexiglas | 29 |
Tritt Betastrahlung zunächst auf ein Metall und dann auf Plexiglas ist die Zählrate im Vergleich zu der anderen Orientierung erhöht. Dies gilt auch für gut absorbierende Materialien. Dies lässt sich auf die Entstehung von Röntgenstrahlung durch das Auftreffen der schnellen Elektronen erklären. Daher werden Betastrahler zunächst mit Materialien geringer Kernladungszahl abgeschirmt, sodass die Entstehung von Röntgenstrahlung weitestgehend vermieden werden kann. Mit einer energieauflösenden Messung ließe sich die Enstehung von Röntgenstrahlung noch näher beschreiben. Die Enstehung von Röntgenstrahlung ist z.B. auch bei der Abschirmung von Szintillationszählern wichtig.
Weitere untersuchenswerte Aspekte
- Welche linearen Abschirmungskoeffizienten lassen sich für die Materialien ermitteln?
- Die dargestellten Daten für die Abschwächung von Betastrahlung durch Aluminium lassen sich leicht grafisch darstellen. Bei kleineren Dicken scheint hier eine Abweichung von dem ansonsten exponentiellen Verhalten gegeben zu sein: Die Zählrate scheint zu klein zu sein. Welche Ursache könnte dies Phänomen haben? Tritt dies auch bei anderen Materialien auf?
- Lässt sich die entstehenden Röntgenstrahlung innerhalb des zweiten Versuchsabschnittes ggf. noch näher charakterisieren? (vgl. Gammaspektroskopie)
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
- Die Messung sollte mit entfernter Schutzkappe des Zählrohrs erfolgen.
- Für eine hinreichende Genauigkeit ist ggf. eine größere Messdauer zu wählen.
Sicherheitshinweise
- Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen
- Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze
- Bauartzugelassene radioaktive Präparate
Fotos
-
Versuchsaufbau: Abschirmung von Betastrahlung
-
Abschirmungsplatten und magnetischer Halter
Literatur
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0