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Baustein 4: Exkurs - Radioaktivität

Baustein 4: Exkurs - Radioaktivität

Die Entdeckung der Radioaktivität

Im Jahr 1896 untersuchte Antoine Henri Becquerel die gerade von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte Röntgenstrahlung genauer. Es war bereits bekannt, dass die Röntgenstrahlung Fotoplatten schwärzen konnte, so als würde Licht auf sie fallen. Becquerel entdeckte bei seiner Arbeit quasi zufällig, dass auch Uransalze im Dunkeln Fotoplatten schwärzen konnten. Der bedeutende Unterschied war, dass Röntgenstrahlung, wie heute auch, künstlich erzeugt wurde, aber die Strahlung der radioaktiven Stoffe rein natürlich war.

Becquerel konnte zusammen mit Marie und Pierre Curie in kurzer Zeit weitere radioaktive Stoffe bestimmen und einige Eigenschaften der Strahlung herausfinden: Sie kann lichtundurchlässige Stoffe durchdringen und ist unabhängig von Temperaturänderungen und chemischen Behandlungen der Probe. Außerdem kann sie sowohl positiv als auch negativ geladene Objekte entladen und ungeladene Stoffe, wie etwa Luft, kurzzeitig leitend machen (ionisierende Eigenschaft).

Die Vielfalt der radioaktiven Strahlung

Die neue Art der Strahlung erweckte auch das Interesse von Ernest Rutherford. Er untersuchte zunächst das Durchdringungsvermögen der Strahlung und konnte dabei feststellen, dass diese aus zwei Komponenten besteht. Er bezeichnete sie als α- und β-Strahlung. Er schrieb:

Diese Experimente zeigen, dass die Uran-Strahlung komplex ist und dass mindestens zwei verschiedene Strahlungsarten auftreten - eine, die sehr schnell absorbiert wird, die der Einfachheit halber α-Strahlung genannt wird und die andere, die einen durchdringenderen Charakter hat, wird β-Strahlung genannt (Übersetzung aus Rutherford (1899)).

 

Es dauerte nicht lange bis eine dritte Komponente der Strahlung ausfindig gemacht wurde. Diese wurde, in Anlehnung an die bereits bekannten Komponenten, γ-Strahlung genannt. Sie kann noch tiefer in Materie eindringen als die α- und β-Strahlung.

In der folgenden Tabelle sind diese Eigenschaften der Strahlungsarten zusammengefasst

 

Strahlungsart Eindringtiefe in Gewebe Kann bspw. abgeschirmt werden durch
α-Strahlen Wenige Mikrometer Papier
β-Strahlen Wenige Millimeter Aluminiumblech
γ-Strahlen Mehrere Zentimeter Eine etwa 5 cm dicke Bleiwand

Neben dem Durchdringungsvermögen der einzelnen Strahlungsarten wurden noch weitere Unterscheidungsmöglichkeiten gefunden. Schickt man die Strahlung durch ein elektrisches Feld, wird die α-Strahlung vom negativen Pol angezogen, die β-Strahlung vom positiven Pol. Ähnlich werden die beiden Strahlungsarten auch in einem Magnetfeld in unterschiedliche Richtungen abgelenkt. γ-Strahlung wird dagegen in keinem der Felder beeinflusst.

Aufgabe

Bearbeite jetzt die erste Aufgabe auf dem Arbeitsblatt „Eigenschaften radioaktiver Stoffe und ihrer Strahlung“ .

Teilchencharakter der Strahlung

Das Verhalten der Strahlung im elektrischen und magnetischen Feld zeigt demnach, dass α‑Strahlung positiv und β-Strahlung negativ geladen sein muss und beide aus Teilchen bestehen. Durch die Stärke der Ablenkung im elektrischen und magnetischen Feld kann außerdem das Verhältnis von Ladung zu Masse der Teilchen bestimmt werden. Dieses Verhältnis wird spezifische Ladung genannt und ist wie ein Fingerabdruck für jedes Teilchen.

Für die β-Teilchen ergab sich die gleiche spezifische Ladung wie für Elektronen, die J. J. Thomson bereits 1897 bestimmt hatte. Sie verhalten sich im elektrischen und magnetischen Feld gleich. Dies war ein starker Hinweis darauf, dass die β-Strahlung aus Elektronen besteht. Sie haben eine einfach negative Ladung und eine Masse von 0,00055 u.

Ähnlich verhielt es sich bei den α-Teilchen: die spezifische Ladung und andere experimentelle Befunde waren deutliche Hinweise darauf, dass sie aus zweifach positiv geladenen Heliumatomen besteht. Die Masse dieser Teilchen ist wesentlich größer als die der Elektronen, sie beträgt 4 u. Der Beweis dieser Annahme gelang Rutherford und seinem Kollegen T. Royds 1909.

γ-Strahlung besteht dagegen nicht aus Teilchen, sie trägt keine Ladung und wird weder im elektrischen noch im magnetischen Feld abgelenkt. Sie verhält sich ähnlich wie die bereits erwähnte Röntgenstrahlung. Diese Strahlung ist eine reine elektromagnetische Strahlung.

Aufgabe

Bearbeite jetzt die zweite Aufgabe auf dem Arbeitsblatt „Eigenschaften radioaktiver Stoffe und ihrer Strahlung“.

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