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Radioaktivität

Die Entdeckung des Atomkerns und die Aufklärung seiner wesentlichen Eigenschaften sind unmittelbar mit der Radioaktivität (Henri Becquerel 1896) verbunden. Bei der Untersuchung der Phosphoreszenz (des Nachleuchtens) von Uransalzen war dieser auf eine Strahlung gestoßen, die mit dem eigentlich untersuchten Phosphoreszenzlicht nichts zu tun hatte. (Ihr kennt die Phosphoreszenz von nachtleuchtenden Uhrenzifferblättern.) Sie entstand auch ohne vorherige Bestrahlung der Salze mit Sonnenlicht und war in der Lage, Pappe und schwarzes Papier zu durchdringen. Die Geschichte der weiteren Erforschung der Radioaktivität hatte viele Höhepunkte, z.B. die Entdeckung des Radiums durch Marie Curie und die Unterscheidung der Strahlenarten α, β und γ durch Rutherford zu Beginn des Zwanzigsten Jahrhunderts. Eine komplette Darstellung ist hier nicht möglich. Wir konzentrieren uns deshaln auf die Durchführung und die Auswertung von Messungen, die mit dem Material der Schule möglich sind.

Der Begriff "Strahlung" ist zunächst nicht sehr präzise gefasst, obwohl jeder Physiker natürlich weiß, was gemeint ist. Im Prinzip geht es um die gerichtete Ausbreitung von Energie und Impuls. Traditionell unterscheidet man Teilchenstrahlen (Korpuskularstrahlen) und elektromagnetische Strahlen (Wellen), obwohl bekanntlich auch letztere aus Teilchen bestehen, den Photonen. Abhängig von der Energie und den weiteren Eigenschaften der Teilchen (z.B. Ladung und Masse) haben Strahlen unterschiedliche Wirkungen. Die zuerst entdeckte Wirkung der radioaktiven Strahlung war die (Rück-) Bildung von Ionen in Becquerels Filmen. Später beeindruckte besonders die Energieabgabe der radioaktiven Präparate, wenn sie z.B. in Wasser gegeben wurden.

Zur Untersuchung der radioaktiven Strahlung verwenden wir verschiedene radioaktive Stoffe (Präparate, siehe Bild), z.B. Radium und Americium. Außerdem verwenden wir als Messgerät ein Zählrohr, wie es von Geiger und Müller entwickelt wurden. In diesem Rohr erzeugen die Teilchen der zu messenden Strahlung Ionen, die durch eine geeignete Elektronik nachgewiesen werden. Man erkennt das schwarze Glimmerfenster des Zählrohres. Es ist sehr dünn, damit auch die α-Strahlen das Zählrohr erreichen können. Die Füllung des Rohres mit einem Luft-Alkohol-Gemisch sorgt dafür, dass das Rohr in kurzer Zeit viele Teilchen getrennt nachweisen kann. Leider unterscheidet es die Strahlenarten nicht. Um dennoch in der Nachfolge von Rutherford drei verschiedene Anteile unterscheiden zu können, trennen wir das ursprüngliche Gemisch auf. Dazu verwenden wir verschiedene Absorber und ein Magnetfeld. Dem liegen die folgenden Überlegungen zugrunde, die in entsprechende Versuche umgesetzt werden:

(1) Eine Komponente der radioaktiven Strahlung (α-Strahlung) lässt sich sehr leicht absorbieren. Sie hat in Luft auch nur eine kurze Reichweite. Sie hat eine starke ionisierende Wirkung und kann sehr gut mit dem Funkenzähler nachgewiesen werden.
(2) Bewegte elektrisch geladene Teilchen werden in einem Magnetfeld abgelenkt und auf eine Kreisbahn geführt. Aus der Richtung der Ablenkung ergibt sich das Vorzeichen der Ladung. Wenn man das ablenkende Magnetfeld elektrisch erzeugt und deshalb seine Stärke variieren kann, findet man, dass die sog. β-Strahlen nicht alle gleich abgelenkt werden und ein kontinuierliches Spektrum haben.
(3) Von einer Quelle ausgehende Photonen verteilen sich im Raum und ihre Intensität nimmt deshalb im Vakuum oder in Luft mit einem einfachen 1/r²-Gesetz ab. Dazu wurde das Experiment "Gammastrahlen 1" durchgeführt. Ergänzend zeigt "Gammastrahlen " die Schwächung der Strahlen durch unterschiedlich dicke Bleiplatten, die nach einem Exponentialgesetz verläuft.

Diese knappe Zusammenfassung darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Analyse der Radioaktivität Jahrzehnte in Anspruch genommen hat. Für die Analyse der Messdaten, die 2007 mit unseren Präparaten gewonnen wurden, sind eine Tabellenkalkulation oder z.B. der TI-92 sinnvoll.