Wie kann man ionisierende Strahlung nachweisen?
Ionisierende (radioaktive) Strahlung ist nicht fühlbar oder sichtbar. Der Nachweis von Strahlung aus Kernreaktionen erfolgt immer anhand ihrer (ionisierenden) Wirkungen.
Zum Nachweis ionisierender Strahlung gibt es verschiedene Möglichkeiten:
Dosimeter
Beim Filmdosimeter wird die Eigenschaft ionisierender Strahlung genutzt, Filme zu schwärzen. Die Dosimeterplakette enthält einen lichtdicht eingepackten Film, der monatlich kontrolliert wird. Fenster aus Kupfer bzw. Blei unterschiedlicher Dicke ermöglichen es, die monatliche Strahlenbelastung abzuschätzen.
Solche Dosimeter werden vor allem von Personen genutzt, die beruflich mit radioaktiver Strahlung bzw. mit Röntgenstrahlung zu tun haben.
Geiger-Müller-Zählrohr
Das GEIGER-MÜLLER-Zählrohr (entwickelt 1928 von den deutschen Physikern Hans Geiger, 1882 – 1945 und Walther Müller, 1905 – 1979) eignet sich besonders zur Untersuchung von β- und γ-Strahlung.
Es besteht aus einem mit Gas geringer Dichte gefüllten Metall- oder Glasrohr, in dessen Mitte sich ein langer Draht als Anode befindet.
Die Kathode wird von der Metallhülse des Zählrohres oder bei Glasrohren von einem spiralförmig gewickelten Draht gebildet.
Abbildung folgt
Zwischen Anode und Kathode liegt eine Spannung von einigen 100V (ca. 500V).
Dringt radioaktive Strahlung durch die Zylinderwand, so löst sie im Füllgas Ionisierungsvorgänge aus. Die frei gesetzten Elektronen werden zur Anode beschleunigt und ionisieren auf ihrem Weg dorthin weitere Atome des Füllgases. Treffen sie auf die Anode, so wird ein kurzer Stromimpuls ausgelöst, den man verstärken und registrieren kann.
Animation zum Geiger-Müller-Zählrohr bei LEIFIphysik
Glockenzählrohr
Der Nachweis von α-Strahlung kann mit einem Glockenzählrohr erfolgen, dessen Aufbau dem des Geiger-Müller-Zählrohres ähnelt, das aber zusätzlich ein dünnes Folienfenster besitzt, durch das α-Strahlung ins Innere des Zählrohres gelangt.
Bei Messungen mit Zählrohren ist zu beachten, dass aufgrund der natürlichen Radioaktivität stets ein Nulleffekt* vorhanden ist.
Nebelkammer
Die Bahnen ionisierender Strahlung können mit einer Nebelkammer sichtbar gemacht werden.
Die Wirkungsweise einer Nebelkammer beruht auf einer Erscheinung, die man häufig am Himmel beobachten kann: Hinter Flugzeugen bilden sich Kondensstreifen. Sie zeigen die Bahn des Flugzeuges, wobei das Flugzeug selbst manchmal gar nicht zu erkennen ist. Ähnlich ist das bei einer Nebelkammer:
In ihrem Inneren befindet sich Ethanoldampf. Längs der Bahnen ionisierender Strahlung bilden sich Ionen, an die sich Dampfmoleküle anlagern und kleine Tröpfchen bilden, die bei seitlicher Beleuchtung als Spuren sichtbar werden.
Szintillationszähler
Szintillationszähler eignen sich vor allem zum Nachweis von γ-Strahlung.
γ-Quanten lösen im Kristall Elektronen aus dem Gitter, die ihrerseits Photonen im sichtbaren Spektralbereich hervorrufen. Diese gelangen zu einer Fotokathode und schlagen Elektronen aus deren Oberfläche.
Der dadurch ausgelöste Stromstoß wird in einem Sekundärelektronenverstärker um den Faktor 1010 verstärkt. Die Höhe des erzeugten Stromstoßes dient als Maß für die Energie der registrierten γ-Quanten.
Auf diese Weise kann man feststellen, wie viele Photonen mit welcher Energie am Messgerät ankommen und neben der Häufigkeit auch die energetische Verteilung ermitteln.
Durch eine solche Messung erhält man ein γ-Spektrum.
* Nulleffekt / Nullrate
Auch ohne das Vorhandensein eines radioaktiven Präparates werden im Zählrohr Impulse registriert. Diese Zählrate resultiert aus der Umgebungsstrahlung.
Dabei handelt es sich um:
- kosmische Strahlung aus dem Weltraum
- terrestrische Strahlung, die von radioaktiven Bestandteilen von Gestein und der Luft ausgeht
Statistische Schwankungen der Zählrate
Misst man die Zählrate Z mehrmals unter gleichen Versuchsbedingungen, so schwanken die Ergebnisse um einen Mittelwert. Bei stark radioaktiven Präparaten sind die Schwankungen viel größer als die Nullrate. Sie können also nicht auf Veränderungen der Nullrate zurückgeführt werden.
Das bedeutet:
Radioaktive Präparate emittieren α-Teilchen oder β-Teilchen (Elektronen) sowie γ-Photonen in unregelmäßigen, dem Zufall unterworfenen Zeitabständen.
Man kann also kein Gesetz für den Zerfall einzelner Kerne aufstellen und damit keine Vorhersage über den Zerfall einzelner Kerne machen. Man kann lediglich eine statistische Vorhersage für den Zerfall einer großen Anzahl von Kernen machen. Mehr über diesen Zusammenhang erfährst Du im Abschnitt “Halbwertszeit und Zerfallsgesetz”.