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| gamma_spektroskopie [2009/03/19 21:17] – grass | gamma_spektroskopie [2009/05/28 20:41] (current) – grass |
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| \mathrm{(8)} \ \ \ D_Q = \frac{\Delta Q}{m_{\mathrm{Luft}}. | \mathrm{(8)} \ \ \ D_Q = \frac{\Delta Q}{m_{\mathrm{Luft}}}. |
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| Die Einheit ist: | Die Einheit ist: |
| Ein radioaktiver Zerfall kann übersichtlich in einem //Zerfallsschema// dargestellt werden, das die Grund- und angeregten Zustände der Kerne (Niveaus) als Linien und die möglichen Umwandlungen oder Übergänge als Pfeile enthält. Die Zerfallsschemata der beim vorliegenden Versuch benutzten radioaktiven Strahler sind in Abbildung 1 dargestellt. | Ein radioaktiver Zerfall kann übersichtlich in einem //Zerfallsschema// dargestellt werden, das die Grund- und angeregten Zustände der Kerne (Niveaus) als Linien und die möglichen Umwandlungen oder Übergänge als Pfeile enthält. Die Zerfallsschemata der beim vorliegenden Versuch benutzten radioaktiven Strahler sind in Abbildung 1 dargestellt. |
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| | !! Abb.1: Zerfallsschemata von <sup>60</sup>Co, <sup>22</sup>Na, <sup>137</sup>Cs und <sup>241</sup>Am. !! |
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| ** !! Abb.en (Zerfallsschemata) einfuegen !! ** | {{:gam1.png|}} |
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| | ==== 2.4 Gamma-Spektren ==== |
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| ==== 2.4 γ-Spektren ==== | |
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| Die bei Übergängen innerhalb eines angeregten Kerns zu erwartenden Linien im <m>gamma</m>-Spektrum der verschiedenen Isotope gehen aus den o.a. Zerfallsschemata hervor. Die Hauptlinien sind (Tabelle 2): | Die bei Übergängen innerhalb eines angeregten Kerns zu erwartenden Linien im <m>gamma</m>-Spektrum der verschiedenen Isotope gehen aus den o.a. Zerfallsschemata hervor. Die Hauptlinien sind (Tabelle 2): |
| Bedingt durch den Impulserhaltungssatz werden bei dem Prozess zwei <m>gamma</m>-Quanten emittiert, so dass rechnerisch jedes <m>beta</m>-Teilchen in ein <m>gamma</m>-Quant übergeht. Die Massen von Elektron und Positron stimmen überein; der Wert für <m>m_e</m> und für die Lichtgeschwindigkeit //c// ist im Abschnitt //Konstanten// zu finden. | Bedingt durch den Impulserhaltungssatz werden bei dem Prozess zwei <m>gamma</m>-Quanten emittiert, so dass rechnerisch jedes <m>beta</m>-Teilchen in ein <m>gamma</m>-Quant übergeht. Die Massen von Elektron und Positron stimmen überein; der Wert für <m>m_e</m> und für die Lichtgeschwindigkeit //c// ist im Abschnitt //Konstanten// zu finden. |
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| ==== 2.5 Absorption von <m>gamma</m>-Strahlung ==== | ==== 2.5 Absorption von Gamma-Strahlung ==== |
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| Die Absorption, d.h. die Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch Materie, kann wegen der gequantelten Natur der Strahlung in einer einfachen Vorstellung als //Zufallsprozess// verstanden werden, bei dem innerhalb einer Schicht d//x// des Absorbermaterials ein betrachtetes Strahlungsquant durch einen Wechselwirkungsvorgang mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (<m>mu</m>) aus dem Strahlengang entfernt wird. Für einen Teilchen- bzw. Quantenstrom //I// (Quanten pro Zeit, //Zählrate// im Experiment) folgt daraus als Ansatz für die Abnahme d//I//: | Die Absorption, d.h. die Schwächung von Strahlung beim Durchgang durch Materie, kann wegen der gequantelten Natur der Strahlung in einer einfachen Vorstellung als //Zufallsprozess// verstanden werden, bei dem innerhalb einer Schicht d//x// des Absorbermaterials ein betrachtetes Strahlungsquant durch einen Wechselwirkungsvorgang mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit (<m>mu</m>) aus dem Strahlengang entfernt wird. Für einen Teilchen- bzw. Quantenstrom //I// (Quanten pro Zeit, //Zählrate// im Experiment) folgt daraus als Ansatz für die Abnahme d//I//: |
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| ==== 2.6 Aufbau des <m>gamma</m> -Spektrometers ==== | ==== 2.6 Aufbau des Gamma-Spektrometers ==== |
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| Geräte zum Strahlungsnachweis nennt man //Strahlungsdetektoren//. Die meisten Detektoren nutzen das Ionisationsvermögen der Strahlung aus (z.B. //Geiger-Müller-Zählrohre//; siehe Versuch //Radioaktiver Zerfall//). Beim vorliegenden Versuch wird als Detektor ein //Szintillationsdetektor// (siehe Abbildung 2) eingesetzt, dessen Wirkungsweise auf dem Photoeffekt beruht (s.o.). In einem NaJ-Kristall wird das <m>gamma</m>-Quant durch ein Hüllenelektron absorbiert (Photoeffekt), das aus dem Molekülverband herausgeschlagen wird und sich als freies Elektron im Kristall bewegt. Bei der anschließenden Abbremsung des Elektrons werden zahlreiche Atome optisch angeregt, die bei ihrer Rückkehr in den Grundzustand Licht aussenden. Das Licht fällt auf eine //Photokathode//, wo es wiederum durch Photoeffekt freie Elektronen auslöst. Diese Elektronen werden in einen //Sekundärelektronenvervielfacher// lawinenartig verstärkt und verursachen einen elektrischen Impuls, der anschließend elektronisch weiterverstärkt wird. Das gesamte System arbeitet //linear//, d.h. die Höhe des Ausgangsimpulses des Systems ist proportional zur Energie des auslösenden <m>gamma</m>-Quants. | Geräte zum Strahlungsnachweis nennt man //Strahlungsdetektoren//. Die meisten Detektoren nutzen das Ionisationsvermögen der Strahlung aus (z.B. //Geiger-Müller-Zählrohre//; siehe Versuch //Radioaktiver Zerfall//). Beim vorliegenden Versuch wird als Detektor ein //Szintillationsdetektor// (siehe Abbildung 2) eingesetzt, dessen Wirkungsweise auf dem Photoeffekt beruht (s.o.). In einem NaJ-Kristall wird das <m>gamma</m>-Quant durch ein Hüllenelektron absorbiert (Photoeffekt), das aus dem Molekülverband herausgeschlagen wird und sich als freies Elektron im Kristall bewegt. Bei der anschließenden Abbremsung des Elektrons werden zahlreiche Atome optisch angeregt, die bei ihrer Rückkehr in den Grundzustand Licht aussenden. Das Licht fällt auf eine //Photokathode//, wo es wiederum durch Photoeffekt freie Elektronen auslöst. Diese Elektronen werden in einen //Sekundärelektronenvervielfacher// lawinenartig verstärkt und verursachen einen elektrischen Impuls, der anschließend elektronisch weiterverstärkt wird. Das gesamte System arbeitet //linear//, d.h. die Höhe des Ausgangsimpulses des Systems ist proportional zur Energie des auslösenden <m>gamma</m>-Quants. |
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| | !! Abb. 2: Szintillationszähler !! |
| ** !! Abb. Szintillationszähler einfügen !! ** | {{:gam2.png|}} |
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| Zur Aufnahme des Spektrums eines Strahlers müssen die Impulse nach ihrer Höhe (Energie) sortiert und zur Bestimmung der Anzahl bzw. Intensität gezählt werden. Diese Funktion übernimmt ein //Vielkanal-Impulshöhenanalysator//. Das System besteht aus einem Impulshöhendetektor, der die Impulshöhen misst und in digitalisierter Form einem diskreten Wertebereich von Impulshöhenstufen zuordnet (z.B. zwischen 0 und 256). Dem nachgeschaltet ist ein Zähler mit 256 Zählstellen (//Kanälen//), in denen die Anzahlen der Impulse verschiedener Höhe gezählt werden. Als Inhalt der Kanäle erhält man so die Verteilung der Intensität (//Kanalinhalt//) über der Energie (impulshöhenproportionale //Kanalnummer//). Das Funktionsdiagramm eines Vielkanal-Impulshöhenanalysators ist in Abb. 3 wiedergegeben. | Zur Aufnahme des Spektrums eines Strahlers müssen die Impulse nach ihrer Höhe (Energie) sortiert und zur Bestimmung der Anzahl bzw. Intensität gezählt werden. Diese Funktion übernimmt ein //Vielkanal-Impulshöhenanalysator//. Das System besteht aus einem Impulshöhendetektor, der die Impulshöhen misst und in digitalisierter Form einem diskreten Wertebereich von Impulshöhenstufen zuordnet (z.B. zwischen 0 und 256). Dem nachgeschaltet ist ein Zähler mit 256 Zählstellen (//Kanälen//), in denen die Anzahlen der Impulse verschiedener Höhe gezählt werden. Als Inhalt der Kanäle erhält man so die Verteilung der Intensität (//Kanalinhalt//) über der Energie (impulshöhenproportionale //Kanalnummer//). Das Funktionsdiagramm eines Vielkanal-Impulshöhenanalysators ist in Abb. 3 wiedergegeben. |
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| | !! Abb.3: Vielkanalanalysator. !! |
| ** !! Abb. Vielkanal-Analysator einfügen !! ** | {{:gamgraph3.png}} |
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