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Erfassen einer Aufbaukurve mit ZEDER

Was muss vorbereitet werden?

Bereits Rutherford fand heraus, dass Aktivkohle gut Radon anlagert. Eine Kohlekomprette, bestehend aus Aktivkohle (Apotheke), wird für 5 - 10 Minuten einer konzentrierten Atmosphäre von Radongas ausgesetzt. Als Radonquelle dient eine mit Hundsbühler Erde gefüllte und staubdicht verschlossene Preform (Rohling für eine PET-Flasche) aus dem Philionkoffer. Dadurch entsteht ein Präparat, das als frisch gereinigt bezeichnet werden kann, da es zunächst nur Radon enthält, wenn die Expositionszeit nicht zu lang angesetzt wird. Sofort nach dem Beladen mit Radon wird die Komprette zwischen zwei radondichte Klebfolien (Büro aktuell) eingeschlossen.

Was wird gemessen?

Die Kohlekomprette wird nun mit dem Radiation Alert Inspector ® im kontinuierlichen Modus bei einer Torzeit von 5 Minuten vermessen bis die Zählrate wieder deutlich zu sinken beginnt. Die Daten werden mittels ZEDER ® an einen PC übermittelt. Die Messung dauert insgesamt ca. 3-5 Stunden. In dieser Zeit werden ca. 50 Einzelmessungen mit Zeitpunkt und Impulsrate erfasst. Wenn statt 5 Minuten nur eine Minute Torzeit eingestellt wird, erhält man zwar mehr Messpunkte aber die Streuung macht sich unangenehm bemerkbar.

Was kommt heraus?

Das Diagramm, welches nach dem Import der Messreihe in EXCEL ® erstellt wird, wird so ähnlich wie Abb. 1 aussehen. Die Aktivität des Präparats steigt also an. Der Kurve sieht. aus wie eine auf den Kopf gestellte Zerfallskurve.

Abb. 1: Aufbaukurve

Die Theorie zum Versuch

N₁, N₂, N₃ ... seien die Anzahlen der vorhandenen Atome des 1., 2., 3. ... Gliedes der Zerfallsreihe. In der Zeit dt zerfallen Kerne. Ist das Mutternuklid N₁ langlebiger als das Tochernuklid N₂, kann sich radioaktives Gleichgewicht einstellen. Das Maximum der Aufbaukurve, das Gleichhewicht, ist erreicht, wenn von den Folgeprodukten Polonium, Blei, Wismuth so viele Kerne zerfallen, wie vom Mutternuklid Radon durch Zerfall nachgeliefert werden. Im Gleichgewicht sind die Zerfallsraten gleich.

In der Zeit dt wird die Anzahl der Tochterkerne N₂ um erhöht indem Mutterkerne zerfallen. Gleichzeitig zerfallen aber auch Tochterkerne. Die zeitliche Änderung der Anzahl der Tochterkerne ist demnach:

Durch Integration erhält man die Formel

Das Tochternuklid ist zur Startzeit t = 0 mit N₂ = 0 Kernen vertreten. Für lange Zeiten stellt sich die Anzahl ein. Dieser Wert kann aus (1) leicht berechnet werden, weil im Gleichgewicht ist :

Deutung des Versuchs

Abb. 2: Kurve ohne Alpha-Filter
Der Alpha-Anteil erhöht die Werte 
am Anfang und Ende der Messreihe

Im Versuch kann nur die ß-Strahlung vom Zerfall des Pb-214 und Bi-214 die Klebfolie passieren. Die Alpha-Strahlen des sehr schnell zerfallenden Po-218 (HWT=3 min) würden die Zählrate wegen der Alpha-Empfindlichkeit des Zählrohrs am Beginn in die Höhe treiben. Man kann den Unterschied deutlich sehen, wenn die Komprette nicht eingeklebt wird. (siehe Abb. 2).

Bei offener Komprette kann ferner Radon von der Komprette desorbieren was zum einen dazu führt, dass sich in der Komprette kein Gleichgewicht einstellen kann und zum anderen wird durch das entweichende Radon, das sich mit seinen Folgeprodukten in der Umgebung der Messstelle und am Zählrohr anlagert die Oberfläche der Messstelle kontaminiert. Das führt z.B. zur Messung einer falschen, erhöhten Untergrundrate.

Wenn die Komprette nur 5 Minuten im PET-Röhrchen beladen wird, kann sich noch nicht sehr viel Polonium gebildet haben. Wird jetzt sofort eingeklebt und mit der Messung begonnen, dann kann man den Anstieg der Anzahl von Pb-214-  und Bi-214-Kernen sehr schön beobachten.

Aus der Gleichung (2) geht hervor, dass für den Anstieg der Aktivität die gleiche Zerfallskonstante zuständig ist wie für den Zerfall des Nuklids. Das legt die Vermutung nahe, dass durch Differenzbildung aus dem Maximalwert an Impulsen mit den Zählraten und erneuter Darstellung das Bild eines Zerfalls entstehen müsste (siehe Station "Zerfall"), wie er in einem Glasfaserfilter nach Anlagerung von Polonium aus Radonol abläuft. Die Abb. 3 und Abb. 4 bestätigen diese Vermutung.

Abb 3: Aufbaukurve (dunkelblau) und Invertierung (magenta)

Abb. 4: Die invertierte Aufbaukurve in halblogarithmischer Darstellung

Nach dem Erreichen des Gleichgewichts liefert das Radon so viele Kerne an Polonium nach, wie davon zerfallen. Gleiches gilt für Blei-214 und Wismuth-214. Das heißt, man kann jetzt eine Langzeitmessung zum Zerfall des Radons anstellen und dessen Halbwertszeit bestimmen. Siehe dazu die Station "Zerfall".

Die zum Versuch gehörigen Daten, ZEDER-Dateien und EXCEL-Sheet kann man hier als ZIP-Datei ( 9KB) herunterladen

Versuche zur Umweltradioaktivität - Messen und Auswerten mit ZEDER und dem PC - J. Grzesina 2001   - Aufbaukurven 

Die Versuche zur Umweltradioaktivität wurden von Herrn Prof. Henning von Philipsborn von der Universität Regensburg entwickelt. Die dafür nötigen Gerätschaften und Materialien wurden von ihm in einem Koffer zusammengefasst, der den Namen "Philion-Koffer" trägt. Neben diesen hier beschriebenen Experimenten finden sich dort noch weitere, die alle sehr gut geeignet sind, Lerninhalte zum Thema "Radioaktivität" auf völlig gefahrlose Art und Weise zu vermitteln. 

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Literatur: Gerthsen Kneser 12. Auflage Seite 692/93