Zerfall des Gemisches von Pb-214, Pb-212 und Pb-211
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Auf dieser Seite wurde bereits das in unserer Umwelt auf natürlichem Wege vorkommende Radon thematisiert. Eine genauere Untersuchung zeigt, dass das Radongas in der Luft im Wesentlichen drei verschiedene Radon-Isotope enthält, die in unterschiedlicher Häufigkeit anzutreffen sind:
► Rn-222, zu 90%,
► Rn-220, zu 9%,
► Rn-219, zu 1%.
Beim Verfolgen der Zerfallsprozesse dieser drei Radon-Isotope stellt man fest, dass beim Zerfall des Radon drei Polonium- und fast unmittelbar danach drei Blei-Isotope entstehen. Diese Blei-Isotope haben Halbwertszeiten in Größenordnungen, die auch für Messungen mit Schulmitteln gut zugänglich sind:
► Pb-214 mit T1/2(Pb-214)=26,8 min (aus Rn-222),
► Pb-212 mit T1/2(Pb-212)=10,6 h (aus Rn-220),
► Pb-211 mit T1/2(Pb-211)=36,1 min (aus Rn-219).
Mit einem (Lehrer-) Experiment, dessen Grundidee mit der des auf dieser Seite beschriebenen Experiments vergleichbar ist, gelingt die experimentelle Bestimmung der Halbwertszeiten der drei Blei-Isotope:
Dazu schließt man in einem (aus Sicherheitsgründen nicht allgemein zugänglichen) Raum des Schulgebäudes einen langen Draht an den Minuspol einer Hochspannungsquelle an und belässt ihn dort etliche Stunden, beispielsweise über Nacht. Dann sammeln sich die oben genannten Zerfallsprodukte des Radon im Laufe der Zeit am Draht an, sodass der sich dadurch über Nacht am Draht abgesetzte radioaktive Staub mit einem Filterpapier o. ä. abgewischt und vor einen Detektor gebracht werden kann.
Es handelt sich bei der Durchführung dieses Experiment folglich um die Untersuchung von drei unabhängig voneinander zerfallenden Isotopen mit im Wesentlichen aber nur zwei gut unterscheidbaren Halbwertszeiten: eine im Bereich von 10,6 Stunden und eine im deutlich kürzeren Bereich um ca. 30 Minuten.
Im Folgenden geht es um die experimentelle Bestimmung der Halbwertszeiten der drei oben bereits angesprochenen radioaktiven Pb-Isotope, die in der Nachfolge der Rn-Isotope durch deren Zerfall entstehen.
Laden Sie die nebenstehende Datei herunter. Sie enthält in der ersten Spalte die Messzeitpunkte (in Minuten) und in der zweiten Spalte die Zählraten (in 1/min) für den oben beschriebenen Zerfall der drei radioaktiven Blei-Isotope.
Bestimmen Sie, analog zu dem auf dieser Seite beschriebenen Verfahren, die Halbwertszeit für das langlebige Blei-Isotop und die annähernd gleich große Halbwertszeit für die beiden kurzlebigen Blei-Isotope.
Sollten Sie Schwierigkeiten bei der Auswertung bekommen, können Sie sich hier eine vorbereitete Lösungsdatei herunterladen, in die Sie die Werte der beiden Spalten hinein kopieren können.
Begründen SIe, warum man in diesem Experiment eine Betriebsdauer des geladenen Hochspannungsdrahtes über mehrere Stunden benötigt und ob man, neben der größeren Halbwertszeit des Pb-212, eher die Halbwertszeit des Isotops Pb-211 oder die des Isotops Pb-214 ermittelt.
Das in der Umwelt befindliche Radon ist ein Alpha-Strahler. Der das Alpha-Teilchen ausstoßende Kern - und damit das gesamte Atom - verliert daher zwei positive Ladungen. Man müsste folglich daraus schließen, dass nach dem Zerfall das Atom negativ geladen ist.
Begründen Sie, warum man dennoch einen negativ geladenen Hochspannungsdraht benötigt, damit sich das Folgeprodukt des Radon am Draht anlagern kann.
Aus Sicherheitsgründen darf der Hochspannungsdraht nicht direkt mit der Hochspannungsquelle verbunden werden, vielmehr muss ein Vorwiderstand in der Größenordnung von mindestens 50 ·106 Ohm vorgeschaltet werden.
Begründen Sie die Wirkung dieser Vorsichtsmaßnahme, indem Sie abschätzen, wie groß die Stromstärke durch den menschlichen Körper wäre, wenn eine Person den Draht ohne Vorwiderstand direkt mit Händen berühren würde.
Recherchieren Sie die Halbwertszeiten der drei Radon-Isotope.
Begründen Sie, warum Rn-222 das in der Umwelt mit Abstand am häufigsten vorkommende Radon-Isotop ist.
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