| | |
| Titel: | Alpha-, Beta- und Gamma-Strahlung | |
| Beschreibung: | Es gibt insgesamt drei verschiedene radioaktive Strahlungen ... | |
| ||
| Autor: | Alexander Kuntz | |
| ||
| english | ||
| ||
 |
α-, β- und γ-Strahlung
Allgemeines zur radioaktiven Strahlung
:
Es gibt insgesamt drei verschiedene
"radioaktive Strahlungen". Diese bezeichnet man als
α-,
β-
beziehungsweise
γ-Strahlung.
Es gibt eine allgemeine Gemeinsamkeit bei den
radioaktiven Strahlungen : Sie sind alle Kernstrahlungen und entstehen durch den
Zerfall eines Elements.
Voneinander zu unterscheiden sind sie im
Aufbau, der Reichweite, der magnetischen Ablenkbarkeit und der
Durchdringbarkeit.
Im Aufbau unterscheiden sie sich in so fern,
als dass die
α-
und die
β-Strahlung
aus sogenannten "Strahlungsteilchen" bestehen.
Die
γ-Strahlung
jedoch besteht aus elektromagnetischen Wellen, beziehungsweise aus Photonen
(Lichtquanten).
Die drei Strahlungstypen können beim
Zerfall eines Elements gemeinsam vorkommen.
α-Strahlung
Die Reichweite der
α-Strahlung
beträgt nur wenige Zentimeter.
Sie hat eine sehr geringe Durchdringbarkeit .
Dies bedeutet soviel, dass man diese Strahlung schon durch ein einfaches Blatt
Papier eindämmen kann.
Beim
α-Zerfall
eines Atoms werden aus dem Atomkern Heliumkerne herausgelöst und
"abgestrahlt".
Diese Heliumkerne bestehen nur aus Nukleonen.
Sie enthalten also keine Elektronen, sondern nur Protonen und Neutronen. Daher
sind sie doppelt positiv geladen.
Die Masse dieser Heliumkerne beträgt circa
4,001 u (atomare Masseneinheiten).
Diese Masse ergibt sich aus der Addition der
Masse zweier Protonen und zweier Neutronen.
Die Alpha-Strahlung ist nur bedingt magnetisch
ablenkbar, da sie relativ "schwer" ist. Näheres zu diesem Thema
ist unter "Magnetische Ablenkbarkeit der Strahlungsteilchen"
nachzulesen.
Für den
α-Zerfall
sind folgende Regelmäßigkeiten zu beobachten :
Die Massezahl des Atoms wird durch den Verlust
der Protonen und Neutronen um "4" verringert.
Da die Ordnungszahl mit der Anzahl der Protonen
im Atomkern zusammenhängt und jetzt 2 zwei Protonen (und zwei Neutronen)
abgegeben wurden, muß die Ordnungszahl um "2" verringert
werden.
Durch den
α-Zerfall
entsteht ein neues Element. Diese kann man mit der Regel bestimmen, dass dieses
neue Element generell zwei Stellen vor dem Ausgangselement
steht.
Ein Beispiel für eine
α-Zerfallsgleichung
:
Aus "U (Uran)" wird durch den
α-Zerfall
: "Th (Thorium)" + "He (Helium++) >>> Über die
Fortsetzung dieser Zerfallsreihe ist weiter unten etwas zu
erfahren.
β-Strahlung
Die
β-Strahlung
hat eine höhere Reichweite, als die
α-Strahlung.
Sie beträgt circa 10 cm.
Sie hat außerdem eine höre
Durchdringbarkeit und ist somit schwerer einzudämmen. Für ihre
Eindämmung benötigt man Elemente mit einer hohen Dichte, wie zum
Beispiel Blei.
Bei dieser Art des radioaktiven Zerfalls
lösen sich ausschließlich Elektronen aus dem Atomkern und werden
"abgestrahlt".
Ein Strahlungsteilchen, beziehungsweise ein
Elektron, ist einfach negativ geladen.
Neben seiner Ladung entspricht auch die Masse
eines Strahlungsteilchen der, eines Elektrons, also circa 0,0005 u (atomare
Masseneinheiten).
Bei diesem Zerfall ist außerdem noch eine
Besonderheit zu beobachten :
Ein Neutron zerfällt in ein Elektron und
ein Proton.
Die Strahlungsteilchen der
β-Strahlung
sind besser magnetisch ablenkbar, als die der
α-Strahlung.
Die Strahlungsteilchen werden generell in die
entgegengesetzte Richtung der
α-Strahlungsteilchen
abgelenkt.
Wie bei dem
α-Zerfall
gibt es auch für
β-Zerfall
bestimmte Regelmäßigkeiten und eine Zerfallsgleichung
:
Die Massezahl des Atoms ist gleichbleibend,
beziehungsweise verringert sie sich um 0,0005 u (atomare
Masseneinheiten).
Jedoch wird die Ordnungszahl um "1"
vergrößert werden.
Dies hängt damit zusammen, dass aus einem
Neutron ein Proton (= ihre Anzahl gibt die Ordnungszahl an) und ein Elektron
gebildet wird. Dabei wird dann das Elektron "abgestrahlt",
während das Proton weiterhin im Atomkern bleibt. Es wurde also ein Proton
hinzugefügt. Auch durch den
β-Zerfall
entsteht ein neues Element. Dies läßt sich so bestimmen, indem man
die neue Ordnungszahl im Periodensystem sucht. Das neu entstandene Element ist
immer das nachfolgende Element des Ausgangsstoffes.
Ein Beispiel für eine
β-Zerfallsgleichung
:
Aus "Po (Polonium) wird durch den
β-Zerfall
: "At (Astat) + e (Elektron -) >>> Diese Zerfallsreihe endet hier
noch nicht. Auch hier ist näheres über ihren Verlauf weiter unten, in
dem Kapitel "Die Zerfallsreihe" zu entnehmen.
γ-Strahlung
Die höchste Reichweite hat die
γ-Strahlung.
Wie weit genau diese Strahlung reicht ist nicht bekannt.
Ihre Durchdringbarkeit ist nochmals höher,
als die der
β-Strahlung.
Man benötigt schon starke Betonwände, um die
γ-Strahlung
wirkungsvoll einzudämmen.
Für die
γ-Strahlung
läßt sich keinerlei Zerfallsgleichung aufstellen. Zu begründen
ist dies damit, dass es sich hierbei nicht um eine Teilchenstrahlung, wie bei
der
α-
und
β-Strahlung
handelt. Vielmehr handelt es sich hierbei um eine elektromagnetische
Wellenstrahlung. Das heißt, dass so gesehen auch nicht von einem
"γ-Zerfall"
gesprochen werden kann.
Es gibt zwei verschiedene Ansichten, woraus die
γ-Strahlung
besteht.
Eine davon stellt diese Strahlung als
"Welle" dar. Die andere zeigt, dass die
γ-Strahlung
aus sogenannten Photonen (= Lichtquant) besteht. Diese Photonen haben eine
Ruhemaße von 0 und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Das bedeutet, dass sich auch die
γ-Strahlung
mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, beziehungsweise verbreitet.
Die
γ-Strahlung
läßt sich nicht magnetisch ablenken. Dies liegt daran, dass ein
Photon keine elektrische Ladung besitzt.
Auch in der zweiten Ansichtsweise der
γ-Strahlung
(Wellenform) ist keine elektrische Ladung vorhanden. Auch dies bedeutet, dass
eine magnetische Ablenkbarkeit nicht vorhanden ist. Eigenschaften einer
"γ-Welle"
sind der Info-Folie "Spektrum der elektromagnetischen Strahlung zu
entnehmen.
γ-Strahlen
verlieren ihre Energie beim Durchdringen von Materie, beziehungsweise durch
Zusammenstöße mit Elektronen oder ganzen Atomkernen. Man
unterscheidet dabei zwei Effekte :
Der "Photoeffekt"
Beim Photoeffekt wird die ganze Energie eines
γ-Quants
auf ein Elektron in der Hülle des Atoms übertragen. Dieses wird dort
durch die Energie "x" gehalten.
Die Differenz aus diesen beiden Energien ist
die kinetische Energie (die Bewegungsenergie) des Elektrons.
Außerdem ist noch anzumerken, dass das
γ-Quant
nach diesem Prozess verschwunden ist und dass das Elektron mit der Zeit seine
Energie verliert.
Beim
Comptoneneffekt verschwindet das
γ-Quant
nicht direkt. Dennoch handelt es dich auch bei diesem Prozess um eine Art des
Energieabsorbierungsprozesses. Dadurch, dass das vom
γ-Quanten
getroffene Elektron seine Energie wieder verliert entsteht ein neues
γ-Quant.
Dieser Prozess kann man als Kreislauf bezeichnen.
Die Zerfallsreihe :
Uran zerfällt in insgesamt achtzehn
Schritten zu dem stabilen Element Blei, mit der Atommasse 206 u (atomare
Masseneinheit).
Bei einer Zerfallsreihe ist es immer wichtig,
auf die Atommasse zu achten, da, wie hier zum Beispiel, das Blei mit einer
Atommasse von 210u kein stabiles Element ist !
Eine kurze Beschreibung : Die Zahl vor dem
Element steht für die Atommasse, gemessen in
"u".
238 Uran
=>
234 Thorium
=>
234 Protactinium
=>
234 Uran
=>
230 Thorium
=>
226 Radium
=>
222 Radon
=>
218 Polonium
=>
214 Blei
=>
218 Astat
=>
214 Bismut
=>
214 Polonium
=>
210 Thallium
=>
210 Blei
=>
210 Bismut
=>
206 Quecksilber
=>
206 Thallium
=>
210 Polonium
=>206
Blei.
Näheres, zum Beispiel die Halbwertszeit
und den Zerfallstyp, zu dieser Zerfallsreihe und alle möglichen
Zerfallskombinationen werden bitte der Info-Folie "Zerfallsreihe des
Uran238" entnommen.
Magnetische Ablenkbarkeit der
Strahlungsteilchen
Ein
α-Teilchen,
beziehungsweise ein Heliumkern, ist, wie oben beschrieben, schwerer abzulenken,
als ein
β-Teilchen,
beziehungsweise ein Elektron.
Dies hängt mit der Masse der beiden
Teilchen zusammen. Während das Elektron nur eine Masse von 0,0005 u
(atomare Masseneinheit) besitzt, hat ein Heliumkern eine circa achttausend mal
größere Masse als ein Elektron.
Dieser Effekt, dass ein Heliumkern viel
schlechter abzulenken ist, beschreibt man als
"Massenträgheit".
Die magnetische Ablenkbarkeit hängt aber
auch von der elektrischen Ladung ab. Dies erklärt auch, warum ein negativ
geladenes Elektron genau in die entgegengesetzte Richtung eines positiv geladene
Heliumkern abgelenkt wird.
Die
"γ-Strahlungsteilchen"
sind überhaupt nicht magnetisch ablenkbar, da diese Strahlung nur aus
masselosen Lichtquanten oder aus einer elektromagnetischen Welle
besteht.
Radioaktive Strahlung in unserer
Umgebung
Man stellt sich meistens vor, dass Radioaktive
Strahlung etwas vom Menschen erzeugtes sei, und in der Natur nicht vorkommen
würde.
Diese Ansicht ist völlig
falsch.
Wir werden jeden Tag durch radioaktive
Strahlung belastet, wobei die Dosis so gering ist, dass es meistens nicht
gesundheitlich bedenklich ist. Es ist schon fast unvorstellbar, wie und wo wir
überall mit Radioaktivität konfrontiert werden.
Zum Beispiel nehmen wir mit jedem Atemzug ein
radioaktives Gas (nämlich Radon) auf. Es sind zwar nur relativ geringe
Mengen, jedoch besteht diese Belastung ununterbrochen.
Eine weitere Belastung geht von der
"solaren und galaktischen Strahlung" aus. Diese Strahlung setzt sich
zum größten Teil aus ungefährlichen Protonen und
α-Strahlungsteilchen
zusammen.
Außerdem werden wir sogar von unserer
Erde mit radioaktiver Strahlung belastet. Sie geht meist von dem radioaktiven
Element "Radon" aus. Ja sogar über unsere Nahrung nehmen wir
radioaktive Stoffe auf und lassen sie in unseren Körper.
Was man nur dazu sagen muß, ist, dass
diese Strahlung wirklich nicht bedenklich ist. Wir haben uns einfach an diese
arten der Belastung gewöhnt und angepaßt.
Wie hoch diese
"Hintergrundstrahlung" nun wirklich ist, hängt von der
geographischen Lage ab.
So sind zum Beispiel höher gelegene
Gebiete, wie die Zugspitze (circa 4000m über dem Meeresspiegel), einer
höheren Strahlenbelastung ausgesetzt, als zum Beispiel die Stadt Hamburg
(auf gleicher Höhe mit dem Meeresspiegel).
Gemessen werden kann diese Strahlung mit einem
Geiger-Müller-Zähler, welcher schon bei der Hintergrundstrahlung einen
Ausschlag verzeichnet.
Die Entdeckung der kosmischen Radiostrahlung
Die kosmische Radiostrahlung wurde 1931 von
einem amerikanischen Ingenieur entdeckt.
Die Strahlung "gefunden" hat
dadurch, dass er nach einer Erklärung für periodisch auftretende
Störungen im Rundfunkempfang suchte. Er ging zuerst davon aus, dass diese
störende Strahlung von der Sonne ausging. Doch als sich der Zyklus auf den
"Sternentag" verschob konzentrierte er sich auf die Suche in den
Sternbildern.
Im Sternbild "Schütze" wurde
er fündig und fand eine der stärksten natürlichen
Strahlungsquellen überhaupt.
Die Entdeckung der Radioaktivität,
beziehungsweise der radioaktiven Strahlung
Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurden die
meisten Strahlungsarten entdeckt. Die radioaktive Strahlung wurde von den
Eheleuten Curie entdeckt.
Marie Curie entdeckte bei einer Untersuchung an
Pechblende (das ist ein Uranerz) drei strahlende Elemente :
Das "Polonium", das sie nach ihrem
Heimatland benannte, das sogenannte "Radium", dessen Name aus dem
lateinischem übersetzt soviel, wie "strahlend" bedeutet und das
"Thorium".
Sie erforschte, dass diese Elemente neben dem
damals bekannten Uran ohne Einwirken von außen Strahlen abgeben. Sie
erkannte außerdem, dass bei der Abgabe von Strahlen sich die Stoffe
veränderten. Dies hat sie an dem Beispiel des Radiums bewiesen, da sie aus
knapp einer Tonne Uranerz ein zehntel Gramm Radium erzeugte. Bis dahin war nur
bekannt, dass es radioaktive Strahlung gibt. Marie Curie hat außerdem vier
sehr wichtige Regeln aufgestellt und ergründet :
Es war aber noch nicht erforscht, dass es drei
verschiedene Arten von radioaktiver Strahlung gibt.
Diese wurden von Pierre Curie, dem Ehemann von
Marie Curie, durch Ablenkungsversuche in einem Magnetfeld nachgewiesen. Der
Versuch verlief so, dass man vor einen radioaktiv strahlenden Stoff einen
Magneten stellten und dort hinter dann eine Fotoplatte. Nun war zu beobachten,
dass sich insgesamt drei verschiedene Stellen durch das auftreffen von Strahlung
erhellten.
Einmal war zu erkennen, dass eine Strahlungsart
gar nicht abgelenkt werden konnte. Diese Strahlungsart ist uns heute als
"Gamma-Strahlung" bekannt. Dazu aber später
mehr.
Des weiteren war zu beobachten, dass sich eine
Strahlung sehr stark magnetisch ablenken ließ. Gemeint ist die Beta
Strahlung. Bei der letzten Strahlungsart fiel auf, dass sie zwar auch magnetisch
ablenkbar ist, nicht aber so stark, wie die Beta-Strahlen abgelenkt werden
konnte. Außerdem wurde diese Strahlung genau in die entgegengesetzte
Richtung der Beta-Strahlung abgelenkt.
Nachweis von radioaktiver
Strahlung
Es gibt verschiedene Methoden, um die
radioaktiven Strahlungen nachzuweisen.
Eine davon ist zum Beispiel der
"Nebelkammer-Versuch" von Charles Wilson.
Mit dieser Methode läßt sich jedoch
nur die
α-
und die
β-Strahlung
nachweisen.
Der Versuchsaufbau ist der Info-Folie
"Nebelkammer nach Wilson" zu entnehmen.
Man füllt zunächst eine geringe Menge
Wasser-Propanol-Gemisch in eine Gummiblase.
Anschließend drückt man diese Blase
zusammen und läßt sie wieder los. Dadurch entsteht ein sogenannter
"gesättigter Wasserdampf"(Nebel). Der radioaktive
Strahlungstift sendet nun Strahlungsteilchen in diesen Nebel. Diese
Strahlungsteilchen bringen den Nebel zur Kondensation und Nebelspuren werden
erkennbar.
Eine weitere Methode radioaktive Strahlung
nachzuweisen ist der Einsatz eines
Geiger-Müller-Zähler.
Dieser leitet durch die radioaktive Strahlung
entstandene Ionen über einen Widerstand ab und mißt sie mit Hilfe
eines Elektrometers.
Quellen :
"Chemie heute - Sekundarbereich 1"
Schroedel Verlag;
"Der große Knaur - Band 15"
Knaur Verlag;
"Brockhaus Enzyklopädie - Band
15" Brockhaus Verlag;
Internet :
"http://www.physik.de"
Internet :
"http://www.zum.de/schule/dwu/" (hier gibt es ziemlich gute
farbige Folien zum Thema !)
Kurzfassung
für Vortrag (20 Minuten) :
|
Insgesamt gibt es 3 verschiedene
Strahlungsarten.
Nämlich
α-,
β-
und
γ-Strahlung.
Man nennt sie auch
"Kernstrahlungen".
Zu unterscheiden sind sie durch den Aufbau der
Strahlungsteilchen, der elektrischen Ladung, der Masse, der magnetischen
Ablenkbarkeit und durch ihre Durchdringbarkeit.
α-
und
β-Strahlung
besteht aus Strahlungsteilchen.
γ-Strahlung
aus Photon, bzw. aus einer elektromagnetischen Welle.
Die Strahlungsarten entstehen beim radioaktiven
Zerfall eines Elements und können alle gleichzeitig
vorkommen.
|
Höchstens 1 bis 2 Minuten
!
Am Ende Folie "Arten
radioaktiver Strahlung" auflegen.
|
|
Circa 3 bis 5
Minuten.
Fragen noch nicht beantworten
!!!
Mit Hilfe der Folie
erläutern.
|
α-Strahlung
...
...
hat eine geringe Reichweite von nur wenigen cm.
...
hat eine sehr geringe Durchdringbarkeit.
...
kann schon durch Papier eingedämmt werden.
...
besteht aus Heliumkernen.
...
hat eine Masse (pro Heliumkern) von 4,005 U.
...
ist schwer magnetisch ablenkbar.
...
ist einfach positiv geladen.
α-Zerfall
...
...
stellt ein neues Element her, das zwei Plätze vor dem Ausgangsstoff
steht.
...
verringert die Ordnungszahl um "2".
...
verringert die Massezahl um "4".
Zerfallsgleichung :
Uran wird durch den
α-Zerfall
zu Thorium und Helium
|
|
β-Strahlung
...
...
hat eine Reichweite von circa 10 cm.
...
hat eine mittelmäßige Durchdringbarkeit.
...
kann durch Blei und ähnliches eingedämmt werden.
...
besteht aus Elektronen.
...
hat (pro Elektron) eine Masse von 0,0005 u.
...
ist magnetisch leichter (als
α-Strahlung)
ablenkbar.
...
wird in die entgegensetzte Richtung der
α-Strahlung
abgelenkt.
...
ist negativ geladen.
β-Zerfall
...
...
stellt ein neues Element her, das einen Platz nach dem Ausgangsstoff
steht.
...
läßt die Massezahl gleichbleibend.
...
erhöht die Ordnungszahl um 1.
...
läßt ein Neutron in ein Elektron und ein Proton
zerfallen.
Zerfallsgleichung :
Aus Polonium wir durch den
β-Zerfall
Astat.
|
Auch circa 3 bis 5 Minuten und auch
diesmal keine Fragen beantworten !!!
Auch hier noch mit der selben Folie
erläutern.
|
|
Circa 2 Minuten.
Kurz auf der Folie Darstellungsweise
zeigen. Fragen beantworten. Dann Folie "Magn. Ablenkbarkeit"
auflegen und nochmal ein wenig auf die Strahlungen
eingehen.
|
γ-Strahlung
...
...
besteht als elektromagnetische Welle, beziehungsweise aus
Photonen.
...
ist masselos.
...
besteht aus Photonen mit einer Ruhemaße von 0. Das bedeutet, dass es ein
stillstehendes Photon in diesem Sinne nicht gibt.
...
hat keine Zerfallsgleichung, da keine "Teilchenstrahlung"
vorliegt.
...
dehnt sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
|
|
Vorher vielleicht noch "Eigenschaften
radioaktiver Strahlung"-Folie auflegen und Notizen machen
lassen.
|
Erst
"Zerfall"-Folie auflegen und "wirken"
lassen.
Dann
Folie "Umweltradioaktivität" auflegen. Kurz das Vorkommen
erklären.
|
|
Dann "Curie"-Folie
auflegen, Entdeckung der Radioaktivität erklären und von den 4 Regeln
erzählen.
Dann noch "Nachweis"-Folie
auflegen und den Versuchsablauf erklären.
Zum Schluß noch zeigen,
wo "γ-Strahlung"
einzuordnen ist. Dazu Folie verwenden.
|
Macht zusammen circa 20 Minuten. Und immer schön
beeilen !
|
Diese Seite ist Bestandteil des Projekts SchoolLecture.com.
Dieser Artikel wurde uns freundlicherweise von Alexander Kuntz zur Verfügung gestellt.
Zurück zur Themenseite:
SchoolLecture.com/Startseite/Wissenschaft
Das Setzen von Verweisen (Links) auf diese Seite ist gestattet und bedarf keine vorherige Absprache.
