EXP:Abschirmung von Betastrahlung

Bei diesem Experiment wird die Abschirmung von β-Strahlung experimentell untersucht. Dazu werden verschiedene Materialien zur Abschirmung verwendet.

Benötigtes Material

• Breadboard/Unterlage
• β-Strahler ⁹⁰Sr mit Halterung
• Geiger-Müller Zählrohr mit Halterung
• 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

Materialien

Materialien

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.

Aufbau Abschirmung von Beta Strahlung.

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 jeweils Platten der gleichen Dicke (1 mm) untersucht. Im Vergleich zu einer abschirmungsfreien Messung ergeben sich dabei

Prozentualer Anteil der absorbierten Strahlung

Material	Prozentualer 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.

Abschirmung von Betastrahlung durch Aluminium

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.

Abschirmung durch zwei verschiedene Materialien

Material 1	Material 2	Impulse pro 100 s
Plexiglas	Aluminium	3375
Aluminium	Plexiglas	2996
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.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

Die Impulsrate bei Blei ist Höher als die bei Weißblech. Dies erscheint zuerst widersprüchlich, da β-Strahlung durch Blei abgeschirmt werden sollte. Was hier allerdings gemessen wird, ist auch keine β-Strahlung, sondern Röntgenstrahlung. Diese ist hochenergetisch genug, um einen Ausshlag am Messgerät zu verursachen. Sie wird erzeugt, da die Elektronen im Blei abgebremst werden und dabei ihre Energie in Form eines Photons abgeben (Stichwort Bremsstahlung). Der Effekt ist um so stärker, je schwerer die Kerne sind, was zu einer höheren Impulsrate im Zählrohr bei Blei führt.

Dieses Problem lässt sich umgehen, indem die Strahlung zuerst durch ein leicht zu durchdringendes Material wie Plexiglas geleitet wird (siehe zweiter Versuchsteil). Dann wird die β-Strahlung anschaulich gesprochen leicht abgebremst, ehe sie ins Metall eintritt. Alternativ könnte man das Geiger-Müller-Zählrohr durch ein Spektrometer ersetzen: Nebst der Anzahl der Impulse wird auch deren Energie aufgezeichnet, wodurch sich die Röntgenstrahlung (Quantenenergeien < 100 eV) leicht von der β-Strahlung (Quantenenergie < 200 keV) abgrenzen lassen sollte.

Sicherheitshinweise

• Elektrische Geräte, Anlagen und Leitungen
• Radioaktive Präparate oberhalb der Freigrenze
• Bauartzugelassene radioaktive Präparate

Fotos

• 
  Aufbau
• Material
  Material

Literatur

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