Philion-Experimentier-Set

Versuche zum Messen von natürlicher Radioaktivität nach:

Henning von Philipsborn Rudolf Geipel

Das Philion-Experimentier-Set kann kostenlos bei der Nagra ausgeliehen werden: Telefon 056 437 11 11 oder [email protected]. 2

Philion-Experimentier-Set Inhalt: • Geiger-Müller-Zählrohr «Inspector» • 10 Philion-Platten 13 cm x 7 cm x 1 mm zum Sammeln von Radon-Folgeprodukten aus der Luft, dazu eine dickere Grundplatte mit 4 Löchern und 4 rote Standstäbe sowie ein Holzreibebrettchen und ein Schaumstoffhandschutz • Büchner-Trichter Porzellan 55 mm Durchmesser • Glasfaser MN85/90 zum Sammeln von Radon-Folgeprodukten aus Wasser und Ethanol, leere Sammelflasche für «Radonol» • Wischtest-Läppchen • 20 g Hundsbühler Erde aus Bayern • Uranglasknopf aus chrysoprasgrünem Uranglas, zertifiziert etwa 200 Bq U-238, fest umschlossen in Halterung, plus Standhalter • 25 g Kaliumchlorid zum Kalibrieren (etwa 400 Bq K-40) • Standhalter für Messgerät «Inspector» • 25 g Aktivkohle körnig als Radon-Speicher • Kohlekompretten zur Herstellung von «Radonol» • Gasdichte Klebefolie 8 cm x 8 cm • Nagel zum Abheben der Folienrückseite • 4 Proben-/Abstandsmasken 2 mm, Geometrie des Messfensters und der Probenmaske sind aufeinander abgestimmt • 2 Proben-/Abstandsmasken 4 mm, Geometrie des Messfensters und der Probenmaske sind aufeinander abgestimmt • Wolframblech 0.1 mm zur Rückstreuung von β-Strahlung • Aluminium-Absorber 1 mm • Bleigummi Gleichwert 1 mm • Aluminiumblech 3 mm • CD zum Philion-Experimentier-Set • CD mit Arbeitsunterlagen in digitaler Form

Kein Strahlenschutz-Fachkunde-Nachweis erforderlich Das Philion-Experimentier-Set ist eine Zusammenstellung von Instrumenten, Quellen und Präparaten zur Durchführung grundlegender Versuche der Kernphysik und der Radioaktivität. Die radioaktiven Quellen im Philion-Experimentier-Set liegen weit unterhalb der Freigrenzen der Strahlenschutz-Verordnung. Sie sind anzeige- und genehmigungsfrei und können auch von Schülerinnen und Schülern ohne Gefahr in Versuchen genutzt werden.

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Philion-Experimentier-Set Vorwort Mit dem Philion-Experimentier-Set können Schülerinnen und Schüler spannende Versuche auf der Basis natürlicher Radioaktivität machen. Sie können Radon-Zerfallsprodukte aus der Luft einfangen, Abstandsmessungen mit einem Uranglasknopf machen, verschiedene Absorbermaterialien ausprobieren und vieles mehr. Es handelt sich um einfach durchzuführende Versuche, die sich eignen, den Zugang zum Thema Radioaktivität zu erleichtern. Erfahrungsgemäss sind Experimentierstunden mit dem Philion-Experimentier-Set am erfolgreichsten, wenn die Schülerinnen und Schüler sich im Vorfeld mit der Theorie und den Versuchen auseinandersetzen. Teilen Sie die begleitenden Arbeitsunterlagen vor der Laborstunde aus, damit die Schülerinnen und Schüler sich vorbereiten können. Falls Kontrollmessungen gemacht werden – was empfehlenswert ist – und die Schüler die Daten direkt auswerten, ­sollten Sie pro Versuch mit einem Zeitbedarf von einer Schullektion rechnen. Die Schülerinnen und Schüler können in Kleingruppen auch parallel arbeiten; während die einen beispielsweise Versuch 2 durchführen, nehmen sich die anderen Versuch 4 vor. Im ­Experimentier-Set ist ein Geiger-Müller-Zählrohr «Inspector» enthalten. Für den Fall, dass parallel gearbeitet werden soll, können Sie zusätzliche Messgeräte ausleihen. Das Experimentier-Set eignet sich auch für Projekttage. Zu beachten ist, dass die Messgeräte sehr begehrt sind. Bitte melden Sie sich frühzeitig an, damit Sie an Ihrem Wunschtermin sicher genügend Messgeräte und Experimentier-Sets zur Verfügung haben.

Nationale Genossenschaft für die Lagerung radioaktiver Abfälle

Fachliche Aufbereitung: Jutta Lang, Chemikerin, Nagra Andrea Rieser, Geologin, Nagra [email protected] Didaktische Unterstützung: Bernhard Edler, Gymnasiallehrer Chemie Gymnasium Kirchenfeld, Bern 4

Hardstrasse 73 5430 Wettingen Schweiz Tel +41 56 437 11 11 Fax +41 56 437 12 07 www.nagra.ch [email protected] Ausgabe: Januar 2011

Philion-Experimentier-Set Versuche (Anleitungen) • Versuch 1: Das Messgerät Radioaktivität als statistisches Phänomen • Versuch 2: Messungen mit Uranglasknopf Strahlung als Funktion des Abstandes • Versuch 3: Kalibrierung des Geiger-Müller-Zählers mit Hilfe von K-40 • Versuch 4: Radon-Zerfallsprodukte aus der Luft einfangen Radongehalt der Luft bestimmen • Versuch 5: Messungen mit Hundsbühler Erde Bestimmung der Halbwertszeit von R ­ adon-222 und Rn-Folgeprodukten • Versuch 6: Messungen mit «Radonol» oder Radonwasser Bestimmung des Gehaltes an Radon und Folgeprodukten in Wasser Jede Messung von Radioaktivität umfasst drei Schritte: • Auswahl und Präparation der Messprobe • Messung unter angemessenen Bedingungen • Bewertung der Messergebnisse unter verschiedenen Aspekten

Jeder Schritt ist wichtig und fehleranfällig.



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Versuch 1: Das Messgerät Dem Philion-Experimentier-Set liegt ein Geiger-Müller-Zähler «Inspector» bei (siehe Foto). Proben-/Abstandsmasken sind genau auf das Messfenster des «Inspectors» von 45 mm Durchmesser zugeschnitten (grösstmögliche Effizienz bei der Messung). Der «Inspector» misst ionisierende Strahlung mit einem Geiger-Müller-Gaszählrohr. Die Messzelle registriert Ladungspulse, wenn ­γ- oder Röntgenstrahlen – also Photonen – oder α- oder β-Teilchen in die Messzelle dringen. Die Zählraten hängen von der Strahlenart und der Grösse der Messzelle ab. Bei geringer Strahlung können die Messwerte stark schwanken. Geiger-MüllerZählrohre «sehen» nur wenige Prozente der Photonen, die in die Messzelle dringen, wobei Photonen niedriger Energie empfindlicher registriert werden. Hingegen werden alle α- und β-Teilchen gezählt, die durch das Messfenster dringen. Die drei Strahlenarten können mit dem Geiger-Müller-Zählrohr wie folgt unterschieden ­werden: α-Strahlen bleiben in starkem Papier stecken, β-Strahlen werden in 5 mm ­Acrylglas oder 1 bis 2 mm Aluminium vollständig blockiert. Achtung: Das empfindliche Fenster zum Zähler auf der Unterseite des Gerätes ist wenig geschützt, bitte Vorsicht!

Wie wird mit dem «Inspector» gemessen?

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➌

➍

➊ ➋

Wenn das ­Messgerät eine definierte Zeit messen soll und richtig eingestellt ist, sehen Sie auf dem Display oben links eine Sanduhr ➍ laufen. Die Impulszahl in der gewählten Messzeit wird am Ende der Messdauer angezeigt (Anzeige eines konstanten Wertes).

Für die Messungen ist der obere Schalter ➊ auf der Frontseite auf die Einstellung «Total / Timer» zu stellen. Den unteren Schalter ➋ stellt man auf «On» (lautlos) oder «Audio» (Knatterton). Die Messdauer kann mit dem Knopf «Timer» und «Set» am Kopfende des Gerätes ➎ zwischen 1 bis 10 Minuten in Minutenschritten gewählt und eingestellt werden. Standardmässig ist die Messdauer von einer Minute (Anzeige 00:01) eingestellt (bitte möglichst nicht verändern). Um ein Ereignis eine Minute lang zu messen, muss man folgende Schrittfolge einhalten: 1 Unteren Schalter ➋ auf «On» oder ­«Audio» stellen. 2 «Timer» ➌ auf die Mittelposition «Set» stellen. 3 Mit den Tasten ➎ «+» oder «-» Zeit ­einstellen. 4 Bei Anzeige 00:01 (= Messdauer 1 Minute), Messgerät auf Probe legen oder in ­Position bringen und «Timer» ➌ auf «On». 5 Nach der Messung das Gerät ausschalten. 6 Für neue Messungen Schritte 1, 2 und 4 wiederholen.

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Versuch 1: Radioaktivität als statistisches Phänomen Nulleffekt oder Hintergrundstrahlung Bevor man mit den eigentlichen Experi­ menten beginnt, muss immer der Nulleffekt (Hintergrund) ermittelt werden. Der Nulleffekt hängt ab von der überall und jederzeit wirkenden natürlichen Umgebungsstrahlung (terrestrischer und kosmischer Strahlungshintergrund) und ist orts- und ­geräteabhängig. Messungen auf einem Tisch, an der Fensterscheibe, bei geöff­netem Fenster, etc. können bei einer Messzeit von 10 Minuten signifikante Unterschiede ­offenbaren.

Radioaktiver Zerfall als statistisches Phänomen Radioaktiver Zerfall ist ein statistisches ­Phänomen. Die Zerfallskonstante gibt die Wahrscheinlichkeit an, dass innerhalb der Zeiteinheit ein Zerfall stattfindet. Die Anzahl der Kernzerfälle pro Zeiteinheit ist proportional der Anzahl N der vorhandenen Atome. Das Zerfallsgesetz gilt numerisch nur, wenn die Zahl der vorhandenen radioaktiven ­Atome gross ist. Die Zahlenwerte der Impulsrate im Detektor schwanken von einer Messung zur nächsten, und zwar relativ umso stärker je kleiner die gemessenen Werte sind.

Zur Statistik von Messwerten: Der Mittelwert der Messwerte x1, x2, x3, ... xn von n Wiederholungsmessungen ist xm. Die Breite oder Streuung der Verteilung der Messwerte wird durch die empirische ­Standardabweichung σ charakterisiert. Man spricht auch von Standardmessunsicherheit oder kurz vom « ­ Fehler». Der «richtige» Messwert liegt mit der Wahrscheinlichkeit von 68.3 % innerhalb von ±1σ um xm, mit der Wahrscheinlichkeit von 95.6 % innerhalb von ±2σ um xm und mit der ­Wahrscheinlichkeit von 99.7 % innerhalb von ±3σ um xm.

Liegt nur eine einzige Messung vor, dann ist σ nicht definiert. Beruht die einzelne Messung aber auf einer genügend grossen Zahl (X > 100) von Einzelereignissen im Detektor (gemes­sene Impulsrate), so kann statt der Standardabweichung σ ihr Schätzwert s verwendet werden: s = √x.

Signifikanz von Messergebnissen Der Unterschied zwischen zwei Messergebnissen gilt als signifikant, wenn er so gross ist, dass er nicht mehr als zufällig zustande gekommen gelten kann. Hat der Nulleffekt zum Beispiel den Wert 50 + 14 (2s) [ipm], und die gemessene Probe den Bruttowert 100 + 20 (2s) [ipm], ist 80 > 64, d.h. die beiden Gauss-Verteilungen sind «numerisch» getrennt und der Nettomesswert 50 [ipm] ist ­signifikant. Dessen Messsicherheit erhöht sich durch Erhöhung der Messzeit auf 2 oder 5 Minuten.

Natürliche Umgebungsstrahlung

Kosmisch: Natürliche Strahlung aus dem Weltraum gelangt kontinuierlich auf die Erde.

Terrestrisch: Bei der Entstehung der Erde wurden auch radioaktive Elemente eingeschlossen. Deshalb enthalten viele Gesteine radio­ aktive Stoffe. Diese produzieren beim Zerfall Wärme, was bei der Geothermie genutzt wird. 7

Versuch 2: Messungen mit Uranglasknopf Hintergrund Der Uranglasknopf hat einen Durchmesser von 17.5 mm und ein Gewicht von 1.95 g. Er hat eine Aktivität von circa 200 Bq U-238 (siehe Zertifikat). Stärker als Uranglas strahlen Uranglasuren (Keramik), die man heute noch auf Flohmärkten findet. In der Schweiz werden radioaktive Farben vereinzelt noch in der Uhrenindustrie ein­ gesetzt. Damit eine Uhr bei Dunkelheit ­abgelesen werden kann, werden Leucht­ farben verwendet. Einige Leuchtfarben ­beinhalten radioaktive Substanzen. Bis 1950 wurden hauptsächlich Farben auf der Basis von Radium-226 und Pro­methium-147 verwendet. Diese werden heute nur noch für Spezialzwecke in der Uhrenin­dustrie verwendet. Ansonsten verwendet man für selbstleuchtende Zifferblätter und ­Zeiger in winzige Glasröhrchen eingeschlossenes, radioaktives Tritium. Dieses kann nicht entweichen und ist damit für die Konsumen­ tinnen und Konsumenten ungefährlich.

Material Uranglasknopf plus Standhalter ­ zum Einstecken laminiertes Millimeterpapier Messgerät plus Standhalter zum Einstecken

Vorgehen • Uranknopf und Messgerät in die jeweiligen Halterungen stecken. • Dabei auf senkrechten Stand achten. • Das laminierte Millimeterpapier als Abstandsmesser auf den Tisch legen. • Für Messungen der Absorption ­(Schwä­chung der Strahlung in der Luft) als Funktion des Abstandes werden die beiden Halterungen sukzessive ­auseinander geschoben. • Messungen in cm-Schritten. • Aufzeichnung der Messergebnisse auf Millimeterpapier.

Im Strahlenschutz gilt für starke ­Strahlungsquellen die Regel der 5 A’s: – Abstand vergrössern – Abschirmung verstärken – Aktivität verkleinern – Aufenthaltsdauer verkürzen – Aufnahme (Inkorporation) vermeiden

Varianten Um das Absorptionsverhalten verschiedener Materialien zu untersuchen, wird der Uranknopf in die beiden 4 mm dicken Probe­ platten gelegt und der «Inspector» ­direkt darauf platziert. Verschiedene Absorber werden zwischen Probe und Messgerät ­gelegt und die verbleibende Strahlung ­gemessen. 8

Versuch 3: Kalibrierung mit K-40 Material 0.95 g KCl Probe-/Abstandsmaske, 2 mm 2 gasdichte Klebefolien

Vorgehen • 0.95 g KCl genau abwiegen. • Fenster einer Probeplatte (2 mm) mit einer gasdichten Folie bekleben. Darauf achten, dass die Folie über dem Fenster nicht mit den Fingern berührt wird. • KCl flächig auf der klebenden Seite der Folie im Probenfenster verteilen. • Die zweite Klebefolie so über das gefüllte Fenster kleben (nur am Rand berühren), dass das KCl im Probenfenster eingeschlossen wird. • Probeplatte auf den Tisch legen und ­Geiger-Müller-Zähler direkt darauf platzieren. • Probe jeweils 5 Minuten messen. Dazu muss die Messzeit am «Inspector» ­angepasst werden (siehe S. 6, Kapitel Messgerät).

Variante

Quelle: Klicker pixelio

Zur gesamten natürlichen Strahlenexposition des Menschen trägt K-40 circa 12% bei. Ein junger Mann enthält circa 150 g Kalium, seine Gesamtkörperaktivität ­beträgt circa 4600 Bq K-40. Aktive Hochleistungssportler enthalten mehr Kalium (mehr Muskelmasse) und sind damit auch radioaktiver. Frauen weisen aufgrund der geringeren Muskelmasse geringere K-40-Aktivitäten auf.

Selbstabsorption: 1.9 g KCl enthält 1 g K und dieses hat eine Aktivität von 31 Bq K-40. Die Zählrate ist nicht proportional zur KClMenge; man beobachtet Selbstabsorption. Zur Demonstration der Selbstabsorption kann die doppelte Menge auf die gleiche Fläche gestreut werden: Auf einem Konta­minationsmonitor (bzw. bei einer Messung) wird weniger als die doppelte Impulsrate angezeigt.



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Versuch 3: Kalibrierung mit K-40 Hintergrund Kalium gehört mit Gehalten von 2.6 Gewichtsprozent zu den zehn häufigsten Elementen der oberen Erdkruste. Kalium hat drei natür­ lich vorkommende Isotope: K-39 (93.26 Gewichtsprozent), K-41 (6.73 Gewichtsprozent) und K-40 (0.01 Gewichtsprozent). Die Halbwertszeit von K-40 beträgt 1.3 Mrd. Jahre. 1 g natürliches Kalium enthält 31 Bq K-40. Trotz des geringen Anteils von K-40 in natürlichem Kalium und trotz der sehr langen Halbwertszeit kommen aufgrund der häufig hohen Gehalte an Kalium ansehnliche Aktivi­täten zusammen. So enthält ein Boden ­(obere 5 cm) im Schweizer Mittelland im Trockengewicht ­circa 360 Bq/kg K-40. Unterschied Zählrate / Aktivität: Die Impulsrate oder Zählrate n [ips] ist die Ereignisrate im Detektor. Die Zerfallsrate oder Aktivität A ist die Ereignisrate in der Probe. Die Zielgrösse A erhält man aus der Messgrösse n [ips] mit Hilfe des Kalibrierfaktors k: A = k * n.

Kalibrierfaktor für Radonfolgeprodukte Für Radonfolgeprodukte [Po-218 (α-Zerfall) Pb-214 (β- und γ-Zerfall) und Bi-214 (β- und γ-Zerfall)] werden die Einzelaktivitäten nicht addiert. Im radioaktiven Gleichgewicht entspricht das Verhältnis der Aktivitätskonzentration der Radon-222-Folgeprodukte (FP) zu der Aktivitätskonzentration des ­Radon-222 dem Wert 0.4. C(Rn FP) = 0.4 = Gleichgewichtsfaktor C (Rn-222) Für die Folgeprodukte gilt näherungsweise k (Rn FP) = 3. Und damit 1/k = e = 33%. Beispiel für Messung: gemessen (Netto) | : 60 ≈ 12 [ips] ≅ 36 Bq Rn FP



700

[ipm]

| · k (Rn FP) | : 0,4

36 = 90 Bq Rn-222 0.4

Den reziproken Kalibrierfaktor nennt man Effizienz e = k-1. Bei Strahlungsmessungen gibt die Effizienz e (Ausbeute) an, welcher Bruchteil der ausgesandten Strahlung im Detektor zur Anzeige kommt. Man beachte: Der Kalibrierfaktor ist stark geräte-, geometrie- und nuklidabhängig. Für das Messgerät «Inspector» ist der Kalibrierfaktor für K-40 für mittlere Schichtdicke etwa k = 6 [Bq] pro [ips]. Dies gilt auch etwa für Cs-137. Die Effizienz für die K-40-Messung beträgt beim «Inspector» e = 1/k = 16%.

Quelle: Rieser

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Versuch 4: Radonzerfallsprodukte aus der Luft einfangen Material Grundplatte mit vier Löchern 4 rote Standstäbe Philion-Platte Holzreibebrettchen mit Schaumstoff­ handschutz

Hinweis • Das Zimmer vor dem Experiment nicht lüften! Am besten durchführbar am ­Morgen. Dann ist die Radonkonzentration in der Raumluft z. T. stark erhöht. • Zum Vergleich kann das Experiment auch im Freien oder im Keller (vor und nach ­Lüften) durchgeführt werden.

• Die Philion-Platte mit der geriebenen ­Fläche nach oben auf die roten Stäbe ­legen und 10 – 20 Minuten stehen lassen. Die Platte sammelt aus der Umgebungsluft die kurzlebigen Radonzerfalls­pro­ dukte.

Vorgehen • Die vier Stäbe in die Grundplatte stecken und an einer offenen Stelle im Raum aufstellen. • Nach bspw. 10 – 20 Minuten die Platte herunter­nehmen, auf den Tisch legen und mit dem «Inspector» messen. Dazu das Messgerät direkt auf den geriebenen Teil der Philion-Platte legen. • Nullrate der Philion-Platte messen. • Auf einem stabilen Tisch die Hälfte von ­einer Seite der Philion-Platte mit dem Holzreibe­brett­chen kräftig reiben – dazu unbedingt aufstehen, damit man mehr Druck auf die Platte ausüben kann. Zur Schonung der Hand­fläche dient der mit gelbem Textilklebeband verklebte rosa Schaumstoffhandschutz. Philion-Platte beim Reiben nur an einem Ende fest­ halten.



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Versuch 4: Radonzerfallsprodukte aus der Luft einfangen Erklärung

Variante

Durch das kräftige Reiben kann die PhilionPlatte auf bis zu -20'000 aufgeladen werden (analog Rutherford-Versuch zu induzierter Radioaktivität). Auf der Platte gemessen werden die Zerfallsprodukte von Radon, die aufgrund ihrer kleinen Masse eine grosse elektrische Beweglichkeit haben. Durch die Rückstossenergie beim α-Zerfall von Radon-222 verlieren Polonium-218, wie auch ein guter Teil der weiter in der Zerfallsreihe entstehenden Pb-214, Bi-214 und Po-214 Elektronen. Die entstehenden elektrisch positiv geladenen Ionen werden von der elektrisch negativ geladenen Platte sehr effektiv angezogen und sind gut messbar.

1. Abschirmung von α-Strahlen: Wird ein Blatt Papier zwischen Probe und Messgerät gehalten, werden α-Strahlen ­abgeschirmt. Aus der Differenz zweier Messungen mit und ohne Papier kann der Anteil der α-Strahlung an der Gesamtstrahlung bestimmt werden.

Innert drei bis fünf Minuten wird ungefähr die Aktivität der kurzlebigen Radonfolgeprodukte aus 1 m3 Luft gesammelt (bei geübter Durchführung des Experiments sind fast quantitative Aussagen möglich). Aussenluft enthält etwa 10 Bq/m3, Innenluft deutlich mehr. Mit dem Kalibrierfaktor k=3 (für Radon und seine ­Folgeprodukte) ergeben 10 Bq/m3 eine I­mpulsrate von 200 [ipm] netto. Bei einem Nulleffekt von 20 – 40 [ipm] ist das ein hoch signifikantes Ergebnis. Bei 10 Minuten Sammelzeit ist die Gesamt­ impulszahl entsprechend grösser. Die Halbwertszeiten der kurzlebigen Radonzerfallsprodukte sind: Po-218 α-Strahler 03 min Pb-214 β/γ-Strahler 27 min Bi-214 β/γ-Strahler 20 min Po-214 α-Strahler 164 µs

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2. Nachweis der Elementumwandlung (Transmutation der Materie): Zum Nachweis der Elementumwandlung darf die Philion-Platte nur 1 – 2 Minuten exponiert werden, damit das gesammelte α-strahlende Po-218 (Halbwertszeit 3 min) nicht schon zum β-strahlenden Pb-214 (Halbwertszeit 27 min) zerfallen ist. Genügend hohe Aktivität erhält man morgens bei geschlossenem Fenster. Man beobachtet, wie sich ein α-strahlendes Element in ein β-/γ-strahlendes Element umwandelt. Beispiel für Messung: Zeit [min]

A (ohne B (mit C = A – B D = C/B E = C/A [%] Papier) = Papier) α α/βγ α/αβγ αβγ βγ

1

1795

823

972

1.18

54

6

1473

877

596

0.68

40

10

1327

1004

323

0.32

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Achtung: Nulleffekt nicht vergessen und abziehen!

Versuch 5: Bestimmung der Halbwertszeit von Rn-222 und Rn-Folgeprodukten Material Röhrchen mit Hundsbühler Erde körnige Aktivkohle 2 gasdichte Klebefolien Probenträger Wolframblech verschiedene Absorbermaterialien

Vorbereitung Mindestens eine Stunde bis maximal 20 Tage (dem etwa Fünffachen der Halbwertzeit von Radon-222 von 3.8 Tagen) vor dem Experiment etwas Aktivkohle in die Siebkappe ­geben. Röhrchen fest verschliessen. Ein­ füllzeitpunkt festhalten! Die Aktivität der ­Aktivkohle nimmt von 1 – 21 Tagen Expo­si­ tion der Erde im verschlossenen Röhrchen wie in der Tabelle auf Seite 14 zu.

Erweiterung Rückstreuung: Erneute Messung, nachdem das Wolframblech auf den Tisch unter das Probenfenster gelegt wurde. Man beobachtet eine um circa 20 – 25 % erhöhte Impulsrate. Dies wird durch die Rückstreuung der β-Strahlung an der Wolframoberfläche verursacht, ein Effekt der hohen Ordnungszahl (74) von Wolfram. Absorption: Es kann mit dieser Probe auch untersucht werden, welches Material welche Strahlung wie gut absorbiert. Dafür werden für die verschiedenen Messungen verschie­ dene Absorber (Papier, Aluminiumblech, ­Bleigummi) zwischen Probe und Messgerät gelegt.

Vorgehen • Fenster einer Probenplatte (2 mm) mit ­einer gasdichten Folie bekleben. Darauf achten, dass die Folie über dem Fenster nicht mit den Fingern berührt wird. • Körnige Aktivkohle aus dem Röhrchen flächig auf der Klebefolie im Proben­ fenster verteilen. • Die zweite Klebefolie so über das gefüllte Fenster kleben (nur am Rand berühren), dass die mit Radon-222 beladene Aktivkohle im Probenfenster eingeschlossen wird. • Probenplatte auf den Tisch legen und Geiger-Müller-Zähler direkt darauf p ­ latzieren. Achtung: Nulleffekt nicht vergessen!



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Versuch 5: Bestimmung der Halbwertszeit von Rn-222 und Rn-Folgeprodukten Varianten

Hintergrund

Halbwertszeit von Radon-222: • Exponiert man nur 1 Stunde, so nimmt die messbare Aktivität zu, bis die neu gebil­deten Zerfallsprodukte Pb-214 und Bi-214 mit dem absorbierten Rn-222 nach ca. 2 Stunden im radioaktiven Gleichgewicht stehen. Die ­Aufbaukurve der Radon-­Zerfallsprodukte ist symmetrisch zur Zerfallskurve der RadonZerfallsprodukte. ­Gemessen mit dem «Inspector» ist die 1. Halbwertzeit des Zerfalls 45 min (Pb-214 und Bi-214) und sinkt dann auf die 20 min von Bi-214.

Die Aktivität der Hundsbühler Erde wurde mit einem Gammaspektrometer bestimmt. Das Aktivitäts-Zertifikat lautet auf etwa 500 Bq U-238 (im radioaktiven Gleichgewicht). Zur Sammlung des Radons werden in die Siebkappe des Röhrchens etwa 100 – 150 mg körnige Aktivkohle oder eine Kohle-Komprette eingefüllt und das Röhrchen verschlossen. Die Adsor­ptionsfähigkeit von Kohle bezogen auf Radon ist sehr hoch. Deshalb kommt es nicht auf die genaue Menge der Aktivkohle an.

• Zur Messung der Halbwertszeit von Radon222 schliesst man mit Radon hoch bela­dene Aktivkohle in einem Probenhalter zwischen zwei gasdichten Klebefolien ein und misst die Probe täglich 8 – 14 Tage lang. Als Anfangswert nimmt man den Wert etwa nach drei Stunden. Denn selbst in der kurzen Zeit vom Öffnen des Röhrchens bis zum Einschluss der Aktivkohle ist etwas Radon-222 desorbiert und es muss sich erst ein neues radioaktives Gleichgewicht zwischen Radon-222 und den Radonzerfallsprodukten, die gemessen werden, einstellen.

Bei der Messung der Aktivität werden wegen der verwendeten Folie nicht die α-Strahlung des Radons, sondern nur die β- und γ-Strahlung der Folgeprodukte gemessen.

Qualitätssicherung der Radonquelle Zur Qualitätssicherung der Radonquelle wurden verschiedene Proben verschieden lange ­exponiert. Die gemessenen Aktivitäten sind von guter Reproduzierbarkeit: [d]

1

2

3

4

7

10

14

21

[Bq]

45 ± 3

75 ± 4

103 ± 7

127 ± 4

173 ± 4

204 ± 11

221 ± 11

231 ± 12

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Versuch 6: Messungen mit «Radonol»1 (oder Radonwasser) Material «Radonol» (oder Radonwasser) Büchner-Trichter Glasfaser-Filter 55 mm Durchmesser schlankes Becherglas / Messzylinder elektrische Heizplatte

Hinweis Das nasse Filter wird auf einer Heizplatte vollständig getrocknet, da sonst die Selbst­ absorption des nassen Filters die Zählrate stark mindert. Im Filter werden die Radon­ zer­fall­s­produkte zu mehr als 95 % adsorbiert.

Erweiterung Vorbereitung Kohlekomprette mindestens einen Tag vor Durchführung des Experiments in das Röhrchen mit Hundsbühler Erde legen, damit sie das aus der Erde entweichende Radon ­aufnimmt. Kohlekomprette in die im Set ­ent­haltene, randvoll mit Ethanol gefüllte Plastikflasche legen. Nach ca. 3 Stunden ­besteht radioaktives Gleichgewicht zwischen dem von der Aktivkohle desorbierten und im Alkohol gelösten Rn-222 (im Folgenden «Radonol» genannt) und den neu gebildeten, kurzlebigen Folgeprodukten.

Rückstreuung: Erneute Messung, nachdem das Wolframblech auf den Tisch unter das Filterpapier gelegt wurde. Man beobachtet eine um circa 20 – 25 % erhöhte Impulsrate. Dies wird durch die Rückstreuung der β-Strahlung an der Wolframoberfläche verursacht, ein ­Effekt der hohen Ordnungszahl von Wolfram (74). 1)

Radon in Ethanol

Die Kohlekomprette zerfällt im Ethanol nicht, weshalb sauber dekantiert und filtriert w ­ erden kann.

Vorgehen • Büchner-Trichter auf Becherglas stellen. • Glasfilter einlegen. • Langsam «Radonol» oder radonhaltiges Wasser (mindestens 200 ml) durch­sickern lassen (ohne Verwendung ­einer Wasserstrahlpumpe). Dabei darauf achten, dass der Filter zuerst befeuchtet wird und kein «Radonol» oder Radonwasser am ­Filter vorbei ins Becherglas läuft. • Filter ­vorsichtig herausheben (evtl. mit Nagel ­anheben) und zum Trocknen auf warme Heizplatte legen. Falls nötig mit Nagel festhalten. • Getrocknetes Filterpapier auf Tisch legen. • Probenplatte mit Loch darüber legen und Messgerät direkt darauf platzieren. • Messen. • Die Zählraten werden zeitabhängig gemessen und eine Zerfallskurve wird erstellt.

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Versuch 6: Messungen mit «Radonol» (oder Radonwasser) Beispiel für Messung: Netto [ips]/200 mL [ipm]/200 mL

Aktivilat Bq/200mL

Bq/L

138 123 141

6.9 6.0 6.9

35 30 35

2.3 2.0 2.3

Achtung: Nur Netto-Werte vergleichen. Ab 100 [ipm] ist ein Signal signifikant.

Variation Radonwasser: Statt «Radonol» kann man auch Wasser aus bekannten Radonquellen (Bsp. Sibyllenbad in Bayern), Leitungs­ wasser aus unterschiedlichen geologischen Untergründen (bspw. Jurakalk, Gneis oder Granit), Brunnenwasser, geschmolzenen Schnee oder Regenwasser nach einer mindestens 3-tägigen Trockenphase verwenden.

Wischtest mit «Radonol»: «Radonol», auf eine Glasfläche vergossen und verdunstet, eignet sich zur Demonstration von Konta­ mination und Dekontamination mittels Wischtest-Läppchen (diese sind im Experimentier-Set enthalten).

Frisches Regenwasser oder auch geschmolzener Schnee enthalten zwar kein Rn-222, aber bis zu 200 Bq/L kurzlebige Zerfalls­produkte. Mit Messzeiten von 10 Minuten können sogar 2 Bq/L Radon, etwa in ­Leitungswasser, nachgewiesen werden. Wasser aus tiefen Brunnen enthält meistens mehr, Oberflächenwasser kein Radon.

Quelle: CFalk pixelio

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