Geigerzähler – Messen der Radioaktivität
Ein Geiger-Müller-Zählrohr detektiert radioaktive Zerfälle wie Alpha- und Beta-Strahlung. Erfahre, wie es funktioniert und was die Totzeit bedeutet. Interessiert? Das und vieles mehr findest du im folgenden Text!
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Grundlagen zum Thema Geigerzähler – Messen der Radioaktivität
Was ist ein Geiger-Müller-Zählrohr?
Hast du in den Nachrichten oder in einem Film schon einmal den Begriff Geigerzähler gehört? Der vollständige Name dieses Geräts, von dem dabei die Rede ist, ist Geiger-Müller-Zählrohr. Mithilfe dieses speziellen Zählrohrs kann man radioaktive Zerfälle, also Gammastrahlung, Alphastrahlung und Betastrahlung $($auch $\gamma$-, $\alpha$- und $\beta$-Strahlung$)$, nachweisen. Da für den Nachweis von $\gamma$-Strahlung der Aufbau leicht verändert werden muss, konzentrieren wir uns in diesem Text auf den Nachweis von $\alpha$- und $\beta$-Strahlung.
Die Erfinder des Geiger-Müller-Zählrohrs waren Hans Geiger und Walther Müller, die ihre Überlegungen und Forschungsergebnisse etwa im Jahr 1928 veröffentlichten. Wir wollen uns im Folgenden damit beschäftigen, wie ein Geiger-Müller-Zählrohr funktioniert.
Wie ist ein Geiger-Müller-Zählrohr aufgebaut?
Ein Geiger-Müller-Zählrohr besteht in der Regel aus einem Zylinder aus Metall, der mit dem sogenannten Zählgas gefüllt ist. Als Zählgas wird meistens ein Edelgas gewählt, das mit Unterdruck in die Kammer des Zylinders gefüllt ist. In der Mitte des Zylinders, genau entlang seiner Symmetrieachse, befindet sich ein dünner Draht. Zwischen dem Draht und dem Zylinder liegt eine sehr hohe Spannung an, wobei der Draht positiv geladen ist, also die Anode bildet, und der Zylinder negativ geladen ist und die Kathode bildet. Zwischen Draht und Zylinder ist also ein elektrisches Feld ausgebildet. Die Stirnseite des Zylinders ist mit einem sehr dünnen Fenster verschlossen, das für $\alpha$- und $\beta$-Strahlung durchlässig ist.
Die Spannung zwischen Kathode und Anode liegt über einen hohen Widerstand $R$ an. Parallel zum Widerstand ist ein Zählgerät geschaltet, das bei einem ausreichend hohen Stromimpuls ausgelöst wird.
Wie funktioniert ein Geiger-Müller-Zählrohr?
Befindet sich vor dem Fenster des Geiger-Müller-Zählrohrs ein radioaktives Präparat, können die beim Zerfall entstehenden $\alpha$- und $\beta$-Teilchen durch das Fenster in das Zählrohr eindringen. In beiden Fällen handelt es sich um ionisierende Strahlung – also Strahlung, die bei Zusammenstößen Elektronen aus Atomen herausschlagen kann.
Nehmen wir an, ein $\alpha$-Teilchen tritt in das Zählrohr ein. Im Zählrohr trifft es nach einer kurzen Strecke mit einem Edelgasatom der Füllung zusammen und ionisiert es. So entstehen ein positiv geladenes Ion und ein freies Elektron.
Durch das elektrische Feld zwischen Kathode und Anode werden Ion und Elektron in unterschiedliche Richtungen beschleunigt. Die Ionen werden in Richtung des Zylindermantels beschleunigt, bewegen sich allerdings aufgrund ihrer großen Masse langsam. Die Elektronen werden durch die hohe, anliegende Spannung stark in Richtung des Drahts beschleunigt. Ihre Geschwindigkeit wird dabei so groß, dass sie auf ihrem Weg zur Anode selbst Gasatome bei Zusammenstößen ionisieren können. So entsteht eine Elektronenlawine, die nach kurzer Zeit die Anode erreicht. Dadurch kommt es zu einem plötzlichen Spannungsabfall bzw. Stromimpuls, der am Zähler registriert wird. Der Stromimpuls wird dabei als ein Ereignis, also als ein Zerfall, gezählt. Beim Geiger-Müller-Zählrohr hängt die Anzahl an Elektronen-Ionen-Paaren, die erzeugt wird, und damit die Höhe des Stromimpulses, nur von der anliegenden Spannung und dem Füllgas ab, aber nicht von der Energie der einfallenden Strahlung. Für eine bestimmte Betriebsspannung und ein bestimmtes Füllgas sieht das gemessene Signal also für alle Teilchen gleich aus. Was das für den Gebrauch des Geiger-Müller-Zählrohrs bedeutet, erklären wir weiter unten.
Was ist die Totzeit beim Geiger-Müller-Zählrohr?
Wenn ein Teilchen in das Geiger-Müller-Zählrohr eingetreten ist und eine Elektronenlawine erzeugt hat, dauert es eine gewisse Zeit, bis die Elektronen über die Anode abgeflossen sind. Solange sich die Elektronenlawine in unmittelbarer Nähe der Anode befindet, schirmt sie das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode ab. Wenn innerhalb dieser Zeit ein weiteres Teilchen in das Zählrohr eintritt und ein Gasatom ionisiert, wird das freie Elektron deswegen nicht in Richtung der Anode beschleunigt. Es rekombiniert, also vereint sich wieder, nach kurzer Zeit mit dem Edelgasion. Es wird also nicht als Ereignis gezählt.
Die Zeit, die vergeht, bis ein eintreffendes Strahlungsteilchen wieder eine Lawine auslösen kann, nennt man deswegen Totzeit. In diesem Zeitraum ist das Zählrohr blind für radioaktive Zerfälle. Beim Geiger-Müller-Zählrohr beträgt die Totzeit etwa 100 Mikrosekunden.
Wozu benutzt man ein Geiger-Müller-Zählrohr?
Da die Höhe der Strompulse nicht von der Energie der Strahlung abhängt, kann mit einem Geiger-Müller-Zählrohr auch keine Aussage zur Energie getroffen werden. Auch die Art der Strahlung kann nur grob bestimmt werden. Dazu werden Abschirmungen unterschiedlicher Dicke vor das Fenster des Zählrohrs gehalten, die beispielsweise $\alpha$-Strahlung abschirmen, aber $\beta$-Strahlung passieren lassen.
Das Geiger-Müller-Zählrohr ist insbesondere dafür geeignet, die Aktivität $A$ eines Stoffs zu bestimmen. Die Aktivität bezeichnet die Anzahl der Zerfälle pro Sekunde. Ihre Einheit ist das Becquerel $\pu{Bq}$, das in SI-Einheiten $\frac{1}{s}$ entspricht:
$[A] = 1~\frac{1}{s} = 1~\pu{Bq}$
Das Geiger-Müller-Zählrohr wird daher zum Beispiel im Strahlenschutz eingesetzt. Die Aktivität allein hat allerdings keine Aussagekraft zur gesundheitsschädlichen Wirkung radioaktiver Strahlung. In diesem Fall müssen andere Faktoren wie der Abstand zur Strahlungsquelle, die Art der Strahlung und so weiter berücksichtigt werden.
Will man ein Zählrohr dazu benutzen, die Energie der Strahlung festzustellen, muss man niedrigere Spannungen zwischen Anode und Kathode verwenden. Diese Art von Zählrohr heißt Proportionalzählrohr.
Geiger-Müller-Zählrohr – Zusammenfassung
Wir fassen die wichtigsten Punkte zum Geiger-Müller-Zählrohr noch einmal zusammen:
- Das Geiger-Müller-Zählrohr wurde um 1928 von Hans Geiger und Walther Müller entwickelt.
- Es dient dem Nachweis radioaktiver Zerfälle.
- Das Geiger-Müller-Zählrohr basiert auf der ionisierenden Wirkung radioaktiver Strahlung.
- Mit dem Geiger-Müller-Zählrohr kann die Aktivität $A$ eines radioaktiven Strahlers bestimmt werden. Die Energie der Strahlung kann nicht ermittelt werden.
In diesem Video wird dir das Geiger-Müller-Zählrohr auf einfache Weise erklärt. Du erfährst die Grundlagen zu Funktion und Anwendung des Geiger-Müller-Zählrohrs. Damit wird ein Referat zu diesem Thema kein Problem mehr für dich sein.
Transkript Geigerzähler – Messen der Radioaktivität
Hallo und herzlich willkommen zur Physik mit Kalle. Wir machen weiter mit der Atomphysik und wollen uns heute mal den Geigerzähler genauer ansehen. Wir lernen heute, was ein Geigerzähler ist, wie er funktioniert, was man mit einem Geigerzähler eigentlich misst und was die "Aktivität" einer radioaktiven Stoffmenge ist und was ihre Einheit ist. Für dieses Video könnte es hilfreich sein, wenn Ihr bereits das Video über die Alpha- Beta- und Gammastrahlung gesehen habt, denn dort wird kurz das Ionisationsvermögen behandelt. So, und dann wollen wir mal. Was ist denn nun ein Geigerzähler? Der Geigerzähler wurde von dem Physiker Hans Geiger erfunden und dann später von seinem Assistenten Walther Müller noch mal wesentlich verbessert. Er ist ein Messgerät für ionisierende Strahlung. Unten seht ihr 3 Beispiele für gängige Geigerzähler. Meistens besteht ein Geigerzähler aus einem Rohr, dass auf die Probe gehalten wird und einem Kasten mit irgendeiner Art von Zählmechanismus, oft einem Lautsprecher oder einer LCD-Anzeige. Da im Rohr die eigentliche Messung stattfindet, sagt man oft auch Geiger-Müller-Zählrohr. So, aber wie funktioniert denn nun so ein Zählrohr? Das wollen wir uns jetzt mal genauer ansehen. Unten sehr Ihr eine sehr einfache Skizze eines Geigerzählers. Das Rohr, das im Bild grün umrandet ist, ist abgedichtet und wird mit einem Edelgas gefüllt. Außerdem hat es in der Mitte einen Draht und es wird dazwischen eine Spannung so angelegt, dass das Rohr die Kathode und der Draht die Anode ist. An der Vorderseite des Rohres, im Bild grau, ist ein strahlungsdurchlässiges Fenster, damit die von uns zu untersuchende Strahlung auch in das Zählrohr eindringen kann. Was nun passiert, ist Folgendes: Es dringt Strahlung in das Rohr ein und trifft auf die dort vorhandenen Edelgasatome. Wie wir bereits wissen, hat radioaktive Strahlung ein gewisses Ionisationsvermögen. Das heißt, sie ist in der Lage Elektronen aus Atomen herauszuschlagen. Durch die zwischen Rohr und Draht anliegende Spannung werden diese freien Elektronen nun auf den Draht hin beschleunigt, so dass ein kleiner Strom fließt. Deshalb verwendet man im Zählrohr übrigens ein Edelgas. Edelgase haben bereits ideale Elektronenkonfigurationen und sind nicht daran interessiert zusätzliche Elektronen aufzunehmen, so dass die freien Elektronen ungehindert bis zum Draht beschleunigt werden können. Man kann die Spannung auch erhöhen, so dass die Elektronen unterwegs noch mehrere Elektronen rausschlagen. Damit erhält man einen größeren, stärkeren Impuls, der besser zu zählen ist. So, aber was zählt denn ein Geigerzähler jetzt eigentlich? Das hängt ganz davon ab wie viel Spannung ich anlege. Ich kann die Spannung entweder so einstellen, dass nur die von der Strahlung direkt herausgeschlagenen Elektronen den Draht erreichen und dann den Strom messen. Dadurch erfahre ich etwas über die Energiemenge der untersuchten Strahlung. Ich kann die Spannung aber auch deutlich höher stellen. Dann erhalte ich über die Elektronenkaskaden ein deutliches Signal zu jedem Ionisationsvorgang und das ist der Bereich, in dem der Geigerzähler meistens verwendet wird. Er ist dann oft mit einem Lautsprecher gekoppelt und jedes dieser Ereignisse wird durch ein Knacksen wiedergegeben. Ihr habt das vielleicht schon Mal in einem Film gehört. Wenn man eine Probe, die nicht stark radioaktiv untersucht ist, klingt der Geigerzähler ungefähr so. Richte ich das Zählrohr dagegen auf eine stark radioaktive Probe, dann erhalte ich ungefähr so einen Klang. In dieser Einstellung liefert mein Geigerzähler mir also Informationen zur Anzahl der Zerfälle des radioaktiven Stoffes. Man sagt auch zu seiner Aktivität. Da wir uns die Aktivität eines radioaktiven Stoffes noch gar nicht angeschaut haben, wollen wir sie uns mal kurz genauer ansehen. Als Aktivität einer radioaktiven Stoffmenge bezeichnet, bezeichnet man die Anzahl der Kernzerfälle, die in dieser Stoffmenge pro Sekunde stattfindet. Für die Aktivität wird normalerweise das Formelzeichen A verwendet und die Einheit der Aktivität ist nach ihrem Erfinder benannt, nämlich nach Henri Becquerel. Die Definition der Einheit Becquerel ist relativ einfach. Eine Probe, die einen Zerfall pro Sekunde aufweist, hat die Aktivität ein Becquerel. So, wir wollen noch mal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben. Ein Geigerzähler ist ein Messgerät für ionisierende Strahlungen. Die einfallende Strahlung erzeugt im Zählrohr freie Elektronen, die zur Anode hin beschleunigt werden, wodurch ein Strom fließt. Ein Geigerzähler kann entweder Informationen zur Energie der einfallenden Strahlung oder zur Anzahl der Zerfälle pro Sekunde liefern. Die Anzahl der radioaktiven Zerfälle, die in einer Stoffmenge pro Sekunde stattfinden, nennt man auch die Aktivität A dieser Probe. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte Euch helfen. Vielen Dank für's Zuschauen. Bis zum nächsten Mal. Euer Kalle.
Geigerzähler – Messen der Radioaktivität Übung
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Gib an, was ein Geigerzähler ist.
TippsIm Zählrohr ist ein Edelgas vorhanden.
Ein Geigerzähler misst genau genommen einen Strom.
LösungDer Geigerzähler oder das Geiger-Müller-Zählrohr ist ein Messgerät für ionisierende Strahlung. In der Regel ist dieser so eingestellt, dass man die Aktivität, also die Anzahl der Zerfälle eines Stoffes pro Sekunde, messen kann.
Entwickelt wurde dieses Gerät von Hans Geiger, ehe es von seinem Assistenten Walter Müller noch wesentlich verbessert wurde.
Das Zählrohr wird dabei auf eine Materialprobe gerichtet. Falls diese ionisierende, radioaktive Strahlung entsendet, gibt der Geiger-Zähler ein meist akustisches Signal.
Anhand des Signales kann man nachvollziehen, wie stark die Aktivität einer radioaktiven Probe ist.
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Gib an, was ein Geigerzähler eigentlich zählt.
TippsMan unterscheidet zwei Nutzungsbereiche.
Bei großen Spannungen kann man andere Schlüsse ziehen, als bei kleinen angelegten Spannungen.
LösungDer Geigerzähler ist grundsätzlich in zwei Bereichen einsetzbar.
Für beide Bereiche gilt der Grundsatz, dass die eintretende Strahlung Elektronen aus den Atomen des Edelgases löst.
Wird nun eine geringe Spannung angelegt, so ist die Energiemenge der eintretenden Strahlung über den entstehenden Strom messbar.
Bei großen Spannungen kann direkt die Anzahl der Zerfälle, also die Aktivität, gemessen werden.
In diesem Bereich wird der Geigerzähler in der Regel eingesetzt. Über einen Lautsprecher wird immer dann ein Signal gegeben, wenn Ionisation stattfindet.
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Benenne die Elemente des Geigerzählers.
TippsJe nachdem wie groß die angelegte Spannung ist, kann man eine Information über die Energie der einfallenden Strahlung bekommen oder zu jedem Ionisationsvorgang der Probe.
LösungDer Geigerzähler besteht im Wesentlichen aus einem Rohr mit einem strahlungsdurchlässigen Fenster und einem darin angebrachten Draht.
Das Zählrohr ist mit einem Edelgas gefüllt.
Der Draht aus dem Inneren des Zählrohres (Anode) ist über einen Zähler und einen Widerstand mit der Kathode (Rohr) verbunden.
Abhängig von der angelegten Spannung kann man nun eine Information über die durch das Fenster eingetretene Strahlung erlangen und damit über die Strahlungseigenschaften der Materialprobe.
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Erkläre, welche Prozesse im Geigerzähler ablaufen.
TippsZunächst einmal muss Strahlung mit dem Messgerät in Verbindung stehen.
Energiezufuhr kann dazu führen, dass Elektronen befreit werden.
Ein elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung von Elektronen.
LösungUm besser zu verstehen, wie ein Geiger-Zähler funktioniert, schauen wir uns die stattfindenden Prozesse der Reihe nach an:
Zunächst tritt Strahlung durch das Fenster in das Zählrohr ein.
Da dieses mit Edelgas gefüllt ist, trifft die energiereiche Strahlung auf die Atome des Edelgases, die so an Energie gewinnen.
Durch die Energiezufuhr wird ein Elektron aus der Hülle des Edelgases befreit.
Dadurch liegt nun ein freies Elektron vor. Aufgrund der angelegten Spannung wird das Elektron auf die Anode hin beschleunigt.
Da dieser Prozess nicht nur bei einem Atom abläuft, werden viele Elektronen auf die Anode zubewegt, so entsteht ein elektrischer Strom.
Der Geigerzähler übersetzt den Stromfluss in ein auswertbares Signal.
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Nenne die Einheit der Aktivität.
TippsDie Einheit ist nach einem französischen Physiker benannt.
Je schneller ein Stoff zerfällt, desto größer ist seine Aktivität.
LösungDie Einheit für die Aktivität ist nach dem französischen Physiker Henry-Bequerel genannt.
Ein ***Bequerel** entspricht dabei einem Zerfallsprozess pro Sekunde.
$1 Bq = \frac{1 Zerfall}{1 Sekunde}$
Je schneller ein Stoff zerfällt, desto größer ist also seine Aktivität und damit die ausgesandte radioaktive Strahlung.
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Analysiere, warum in einem Geigerzähler ein Edelgas verwendet wird.
TippsEdelgase haben Edelgaskonfiguration.
Freie Elektronen nehmen gerne an chemischen Reaktionen Teil.
LösungDamit die Aktivität oder die Energiemenge der einfallenden Strahlung gemessen werden kann, muss das Zählrohr mit einem Edelgas gefüllt sein.
Das ist damit zu erklären, dass das Edelgas, wie der Name schon sagt, eine Edelgaskonfiguration hat, also einen stabilen Zustand, der nur durch Energiezufuhr geändert wird.
Vereinfacht verhält sich die Abspaltung der Edelgase so, wie es in der Formel dargestellt ist.
Im Inneren des Zählrohres ist diese Eigenschaft wichtig, damit die durch energiereiche Strahlung frei gewordenen Elektronen nicht direkt mit anderen Atomen von reaktiven Gasen reagieren. Dadurch könnte kein Strom zwischen Kathode und Anode fließen und der Geiger-Zähler würde somit nicht funktionieren.
Die Verwendung des Edelgases ist also vor allem deshalb wichtig, damit eine Reaktion eines freien Elektrons mit dem Gas im Zählrohr verhindert wird und das Messgerät so funktionstüchtig bleibt.
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Das Video ist nicht gut genug
Die schwere Bonusaufgabe ist ziemlich leicht. Außerdem ist der Operatorfehlerhaft. Es müsste heißen: Wähle die richtige Antwort aus.
In der Lösung sollte die Formatierung überarbeitet werden. **Bequerel**
Das Video ist gut. In der Übung, 2. Aufgabe gibt es zwei Sätze die sprachlich nicht korrekt sind. Hier mein Korrekturvorschlag:
Es wird der erzeugte Strom gemessen, der einen Rückschluss auf die Energiemenge der einfallenden ionisierenden Strahlung ermöglicht.
Bei großen Spannungen erhält man ein deutliches Signal von jedem einzelnen Ionisationsvorgang.
Super erkärt vielen Dank