HT 4 — Schulexperimente zu Radioaktivität und Strahlenschutz

Für Schulexperimente zur Radioaktivität gibt es spezielle Strahlerstifte, bei denen ein radioaktiver Stoff in ein zylinderförmiges Gehäuse eingefasst ist.

In Abbildung 1 in Material 1 ist das Zerfallsschema für die Umwandlung von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ in $Formula: \text{Rn-}222$ $Formula: \text{Rn-}222$ abgebildet.

Berechne anhand von Abbildung 1 (in Material 1) die Maximalenergie der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Kern emittierten $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Teilchen.

Der $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift ist entweder offen oder umschlossen (siehe Material 2).

Entscheide begründet, ob der Strahlerstift mit dem in Abbildung 3 (in Material 2) dargestellten Energiespektrum offen oder umschlossen ist.

7 BE

Ein $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Atom hat die Masse $Formula: m_{\text{Ra-}226} = 226,0254026\;\mathrm{u}.$ $Formula: m_{\text{Ra-}226} = 226,0254026\;\mathrm{u}.$ Die Halbwertszeit von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ beträgt $Formula: T_{1/2} = 1600\;\mathrm{a}.$ $Formula: T_{1/2} = 1600\;\mathrm{a}.$

Leite die Gleichung $Formula: A(t) = \lambda \cdot N(t)$ $Formula: A(t) = \lambda \cdot N(t)$ ausgehend vom Zerfallsgesetz $Formula: N(t) = N_0 \cdot \mathrm{e}^{-\lambda \cdot t}$ $Formula: N(t) = N_0 \cdot \mathrm{e}^{-\lambda \cdot t}$ her.

Bestimme die Masse an $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ mit der Aktivität $Formula: A = 5,0\;\mathrm{kBq}.$ $Formula: A = 5,0\;\mathrm{kBq}.$

In Schulen dürfen $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstifte, die eine Gesamtaktivität von bis zu $Formula: A = 10\;\mathrm{kBq}$ $Formula: A = 10\;\mathrm{kBq}$ haben, ohne Genehmigung verwendet werden.

Begründe mithilfe der Informationen aus Material 3, dass eine Schule bei Verwendung eines Strahlerstiftes, der die in a) bestimmte Masse an $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ enthält, eine Genehmigung benötigt.

14 BE

Bestimme denjenigen Peak in dem Gammaspektrum in Abbildung 5 (in Material 4), der auf die in Abbildung 1 dargestellte Umwandlung von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ in $Formula: \text{Rn-}222$ $Formula: \text{Rn-}222$ zurückzuführen ist.

In Schulversuchen werden radioaktive Präparate häufig mit Geiger-Müller-Zählrohren untersucht.

Begründe, dass das Spektrum in Abbildung 5 (in Material 4) nicht mit einem Geiger-Müller-Zählrohr aufgenommen wurde.

In einem Experiment wird ein $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift mit der Gesamtaktivität $Formula: A = 5\;\mathrm{kBq}$ $Formula: A = 5\;\mathrm{kBq}$ mit einem Geiger-Müller-Zählrohr untersucht. Ein Schüler vermutet, dass die gemessene Zählrate dann im Bereich von $Formula: R = 5 \cdot 10^3\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}$ $Formula: R = 5 \cdot 10^3\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}$ liegen müsste. Die gemessene Zählrate beträgt jedoch $Formula: R = 178\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}.$ $Formula: R = 178\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}.$

Stelle eine Hypothese auf, weshalb keine Zählrate von $Formula: R = 5 \cdot 10^3\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}$ $Formula: R = 5 \cdot 10^3\;\tfrac{1}{\mathrm{s}}$ erreicht wird.

10 BE

Im Physikunterricht darf mit radioaktiven Stoffen experimentiert werden.

Schätze mithilfe der Informationen in Material 5 und einer Rechnung die effektive Dosis Formula: H ab, die von der Schülerin während des Experimentierens aufgenommen wird.

Beurteile unter Einbezug der Informationen in Material 5 den Vorschlag, im Hinblick auf den Strahlenschutz in Schulen zukünftig auf Experimente mit radioaktiven Präparaten komplett zu verzichten.

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Material 1

Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Zerfallsschema von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ in $Formula: \text{Rn-}222\text{:}$ $Formula: \text{Rn-}222\text{:}$

Zerfallsdiagramm von Ra-226 zu Rn-222 mit Alpha- und Gamma-Strahlung.

Abbildung 1: Zerfallsschema von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$

Material 2

Bei einem umschlossenen Strahlerstift ist die radioaktive Substanz vollständig durch eine sehr dünne Metallfolie abgeschirmt (siehe Abbildung 2 links). Bei einem offenen Strahlerstift fehlt diese vollständige Abschirmung durch eine Metallfolie (siehe Abbildung 2 rechts).

Vergleich von umschlossenem und offenem Strahlerstift mit Abschirmung und Metallfolie

Abbildung 2: Energiespektrum der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift emittierten $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Strahlung

Beim Durchdringen der sehr dünnen Metallfolie nimmt die Geschwindigkeit der $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Teilchen etwas ab.

Abbildung 3 zeigt das mit einem Halbleiterdetektor aufgenommene Energiespektrum der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift emittierten $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Strahlung. Die Messung wurde im Vakuum durchgeführt.

Diagramm mit α-Teilchen-Spektrum und Intensitätsverlauf in Abhängigkeit von der Energie.

Abbildung 3: Energiespektrum der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift emittierten $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Strahlung

Material 3

Abbildung 4 zeigt den Zerfall von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ über mehrere Zwischenprodukte bis hin zum stabilen Endprodukt $Formula: \text{Pb-}206.$ $Formula: \text{Pb-}206.$ Die Halbwertszeiten $Formula: T_{1/2}$ $Formula: T_{1/2}$ sind jeweils angegeben.

Schema des radioaktiven Zerfalls von Radium bis Blei-206

Abbildung 4: Darstellung des radioaktiven Zerfalls von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ in ein stabiles Endprodukt

Material 4

Abbildung 5 zeigt ein gemessenes Wellenlängenspektrum der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift emittierten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Strahlung. Die Peaks A, B, C, D und E können dem Zerfall von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ bzw. den Zerfällen der Tochternuklide zugeordnet werden.

Röntgenbeugungsdiagramm mit Peaks A bis E und Intensität über Wellenlänge in pm

Abbildung 5: Wellenlängenspektrum der von einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift emittierten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Strahlung

Material 5

Beschreibung eines Schulexperiments mit einem $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ - $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ -Strahlerstift:

Eine Schülerin führt während einer 45-minütigen Unterrichtsstunde ein Experiment mit einem $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift (Gesamtaktivität $Formula: A = 5\;\mathrm{kBq}$ $Formula: A = 5\;\mathrm{kBq}$ ) durch. Dabei hält sie durchschnittlich einen Abstand von $Formula: 50\;\mathrm{cm}$ $Formula: 50\;\mathrm{cm}$ zum Strahlerstift ein.

Informationen des Herstellers zur Strahlenbelastung durch den $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ - $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ -Strahlerstift:

Die effektive Dosis für einen $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Strahlerstift der Aktivität Formula: A (in Kilobecquerel) beim Experimentieren in einem Abstand Formula: r (in Meter) während der Zeitdauer $Formula: \Delta t$ $Formula: \Delta t$ (in Stunden) kann mit der folgenden Formel abgeschätzt werden:

$Formula: H = \left(3 \cdot 10^{-7}\;\dfrac{\mathrm{mSv} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{h} \cdot \mathrm{kBq}}\right) \cdot \dfrac{A \cdot \Delta t}{r^2}.$ $Formula: H = \left(3 \cdot 10^{-7}\;\dfrac{\mathrm{mSv} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{h} \cdot \mathrm{kBq}}\right) \cdot \dfrac{A \cdot \Delta t}{r^2}.$

Informationen zur natürlichen und zivilisatorischen Strahlenbelastung:

Abbildung 6 zeigt die durch natürliche Strahlenexposition hervorgerufene mittlere effektive Dosis pro Jahr für eine zufällig ausgewählte Person in Deutschland.

Kreisdiagramm zur natürlichen Strahlenbelastung mit Prozentanteilen und Ursachen.

Abbildung 6: Mittlere effektive Dosis für eine Person in Deutschland durch natürliche Strahlenexposition

Für die Bevölkerung in Deutschland gibt es zusätzlich zur natürlichen Strahlenbelastung einen gesetzlich vorgeschriebenen Jahresgrenzwert der durch zivilisatorische Strahlenquellen hervorgerufenen effektiven Dosis. Er liegt bei $Formula: H = 1\;\mathrm{mSv}$ $Formula: H = 1\;\mathrm{mSv}$ für den Zeitraum eines Jahres.

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Die Energiedifferenz zwischen den beiden eingezeichneten $Formula: \text{Rn-}222\text{-}$ $Formula: \text{Rn-}222\text{-}$ Niveaus entspricht der Energie des ausgesandten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Quants. Für die maximale Energie der $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Teilchen gilt daher:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} E_{\alpha,\mathrm{max}} &=& E_{\alpha,1} + E_{\gamma} \\[5pt] &=& 4,591\;\mathrm{MeV} + 0,186\;\mathrm{MeV} \\[5pt] &=& 4,777\;\mathrm{MeV} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} E_{\alpha,\mathrm{max}} &=& E_{\alpha,1} + E_{\gamma} \\[5pt] &=& 4,591\;\mathrm{MeV} + 0,186\;\mathrm{MeV} \\[5pt] &=& 4,777\;\mathrm{MeV} \end{array}$

Die direkt in den Grundzustand von $Formula: \text{Rn-}222$ $Formula: \text{Rn-}222$ führende Zerfallsvariante liefert also $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Teilchen mit einer maximalen Energie von etwa $Formula: 4,78\;\mathrm{MeV}.$ $Formula: 4,78\;\mathrm{MeV}.$

Im Vakuum erfahren die von einer nicht abgeschirmten Quelle emittierten $Formula: \alpha\text{-}$ $Formula: \alpha\text{-}$ Teilchen praktisch keine Energieverluste. Das zu $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ gehörende Maximum müsste deshalb bei einer Energie nahe $Formula: 4,78\;\mathrm{MeV}$ $Formula: 4,78\;\mathrm{MeV}$ liegen.

In Abbildung 3 liegt das Maximum der $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ $Formula: \text{Ra-}226\text{-}$ Teilchen jedoch deutlich bei kleineren Energien.

Diese Teilchen müssen vor der Messung Material durchdrungen und dabei Energie abgegeben haben. Das passt zu einer von einer Metallfolie umschlossenen Quelle. Der mit dem Energiespektrum in Abbildung 3 untersuchte Strahlerstift ist daher umschlossen.

Herleiten der Gleichung

Für die Anzahl der noch nicht zerfallenen Kerne gilt das Zerfallsgesetz:

$Formula: N(t)=N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}$ $Formula: N(t)=N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}$

Die Aktivität ist die Anzahl der Zerfälle pro Zeitintervall. Durch Ableiten folgt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll}A(t)&=&-\dfrac{\mathrm{d}N(t)}{\mathrm{d}t} &\quad\scriptsize\mid\,N(t)=N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\\[5pt]&=&-\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\right)&\quad\scriptsize\mid\,\text{Ableiten}\\[5pt]&=&\lambda \cdot N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\\[5pt]&=&\lambda \cdot N(t)\end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}A(t)&=&-\dfrac{\mathrm{d}N(t)}{\mathrm{d}t} &\quad\scriptsize\mid\,N(t)=N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\\[5pt]&=&-\dfrac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\right)&\quad\scriptsize\mid\,\text{Ableiten}\\[5pt]&=&\lambda \cdot N_0\cdot\mathrm{e}^{-\lambda t}\\[5pt]&=&\lambda \cdot N(t)\end{array}$

Bestimmen der Masse an $Formula: \boldsymbol{\mathrm{Ra}\text{-}226}$ $Formula: \boldsymbol{\mathrm{Ra}\text{-}226}$

Mit $Formula: T_{1/2}=1600\;\mathrm{a}$ $Formula: T_{1/2}=1600\;\mathrm{a}$ ergibt sich für die Zerfallskonstante:

$Formula: \begin{array}[t]{rll}\lambda&=&\dfrac{\ln (2)}{T_{1/2}}\\[5pt]&=&\dfrac{\ln (2)}{1600\cdot365\cdot24\cdot3600\;\mathrm{s}}\\[5pt]&=&1,37\cdot10^{-11}\;\mathrm{s^{-1}}\end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}\lambda&=&\dfrac{\ln (2)}{T_{1/2}}\\[5pt]&=&\dfrac{\ln (2)}{1600\cdot365\cdot24\cdot3600\;\mathrm{s}}\\[5pt]&=&1,37\cdot10^{-11}\;\mathrm{s^{-1}}\end{array}$

Für die Aktivität $Formula: A=5,0\;\mathrm{kBq}=5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}$ $Formula: A=5,0\;\mathrm{kBq}=5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}$ werden damit benötigt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll}N&=&\dfrac{A}{\lambda}\\[5pt]&=&\dfrac{5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}}{1,37\cdot10^{-11}\;\mathrm{s^{-1}}}&\quad\scriptsize\mid\,A=5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}\\[5pt]&=&3,65\cdot10^{14}\end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}N&=&\dfrac{A}{\lambda}\\[5pt]&=&\dfrac{5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}}{1,37\cdot10^{-11}\;\mathrm{s^{-1}}}&\quad\scriptsize\mid\,A=5,0\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}\\[5pt]&=&3,65\cdot10^{14}\end{array}$

Die Masse eines Kerns beträgt:

$Formula: \begin{array}[t]{rll}m_{\mathrm{Kern}}&=&226,0254026\;\mathrm{u}\\[5pt]&=&226,0254026\cdot1,6605\cdot10^{-27}\;\mathrm{kg}\\[5pt]&=&3,75\cdot10^{-25}\;\mathrm{kg}\end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}m_{\mathrm{Kern}}&=&226,0254026\;\mathrm{u}\\[5pt]&=&226,0254026\cdot1,6605\cdot10^{-27}\;\mathrm{kg}\\[5pt]&=&3,75\cdot10^{-25}\;\mathrm{kg}\end{array}$

Daraus ergibt sich:

$Formula: \begin{array}[t]{rll}m&=&N\cdot m_{\mathrm{Kern}}\\[5pt]&=&3,65\cdot10^{14}\cdot3,75\cdot10^{-25}\;\mathrm{kg}\\[5pt]&=&1,37\cdot10^{-10}\;\mathrm{kg}\end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll}m&=&N\cdot m_{\mathrm{Kern}}\\[5pt]&=&3,65\cdot10^{14}\cdot3,75\cdot10^{-25}\;\mathrm{kg}\\[5pt]&=&1,37\cdot10^{-10}\;\mathrm{kg}\end{array}$

Die benötigte Masse an $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ beträgt damit rund $Formula: 1,4\cdot10^{-10}\;\mathrm{kg}.$ $Formula: 1,4\cdot10^{-10}\;\mathrm{kg}.$

Die in Abbildung 4 dargestellten Tochterkerne besitzen Halbwertszeiten von wenigen Tagen bis hin zu Millisekunden und zerfallen damit wesentlich schneller als $Formula: \text{Ra-}226.$ $Formula: \text{Ra-}226.$ Auf Grund dieser extremen Differenz zwischen Mutternuklid und Tochternuklide stellt sich nach einer ausreichend langen Zeit ein säkulares Gleichgewicht ein: Die Aktivitäten der Tochternuklide sind dann näherungsweise ebenso groß wie die Aktivität des Mutternuklids.

Neben der Aktivität von $Formula: 5,0\;\mathrm{kBq}$ $Formula: 5,0\;\mathrm{kBq}$ des $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ tragen deshalb bereits die zwei in Abbildung 4 unmittelbar folgenden Tochternuklide jeweils näherungsweise $Formula: 5,0\;\mathrm{kBq}$ $Formula: 5,0\;\mathrm{kBq}$ bei. Damit ergibt sich schon ohne die weiteren Zerfälle:

$Formula: A_\mathrm{ges}\approx3\cdot5,0\;\mathrm{kBq}=15\;\mathrm{kBq}$ $Formula: A_\mathrm{ges}\approx3\cdot5,0\;\mathrm{kBq}=15\;\mathrm{kBq}$

Die Gesamtaktivität liegt somit deutlich über $Formula: 10\;\mathrm{kBq}.$ $Formula: 10\;\mathrm{kBq}.$ Für den Umgang mit der Quelle in der Schule ist daher eine Genehmigung erforderlich.

Dem Zerfallsschema in Abbildung 1 ist für den $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Übergang die Energie $Formula: E_\gamma=0,186\;\mathrm{MeV}$ $Formula: E_\gamma=0,186\;\mathrm{MeV}$ zu entnehmen. Die zugehörige Wellenlänge beträgt:

$Formula: \lambda=\dfrac{h\cdot c}{E_\gamma}=\dfrac{1240\;\mathrm{eV\cdot nm}}{0,186\cdot10^6\;\mathrm{eV}}=6,7\;\mathrm{pm}$ $Formula: \lambda=\dfrac{h\cdot c}{E_\gamma}=\dfrac{1240\;\mathrm{eV\cdot nm}}{0,186\cdot10^6\;\mathrm{eV}}=6,7\;\mathrm{pm}$

Diese Wellenlänge stimmt mit der Lage des Peaks E überein. Peak E gehört daher zu den beim Zerfall von $Formula: \text{Ra-}226$ $Formula: \text{Ra-}226$ emittierten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Quanten.

Das dargestellte Spektrum ordnet den registrierten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Quanten unterschiedliche Wellenlängen beziehungsweise Energien zu. Ein Geiger-Müller-Zählrohr liefert dagegen für jedes nachgewiesene Quant näherungsweise gleich große Impulse. Es kann daher die Anzahl der Ereignisse, nicht aber deren Energie bestimmen. Mit einem Geiger-Müller-Zählrohr lässt sich das Spektrum somit nicht aufnehmen.

Der Detektor erfasst nur einen begrenzten Raumwinkel. Deshalb trifft bei endlichem Abstand nur ein Teil der ausgesandten $Formula: \gamma\text{-}$ $Formula: \gamma\text{-}$ Quanten auf seine aktive Fläche. Zusätzlich löst nicht jedes auftreffende Quant ein registriertes Ereignis aus.

Die gemessene Zählrate von $Formula: 178\;\mathrm{s^{-1}}$ $Formula: 178\;\mathrm{s^{-1}}$ kann deshalb deutlich kleiner sein als die aus der Aktivität abgeschätzte Rate von $Formula: 5\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}.$ $Formula: 5\cdot10^3\;\mathrm{s^{-1}}.$

Für die Aufenthaltsdauer gilt $Formula: \Delta t=45\;\mathrm{min}=0,75\;\mathrm{h}.$ $Formula: \Delta t=45\;\mathrm{min}=0,75\;\mathrm{h}.$ Mit $Formula: A=5,0\;\mathrm{kBq}$ $Formula: A=5,0\;\mathrm{kBq}$ und $Formula: r=0,50\;\mathrm{m}$ $Formula: r=0,50\;\mathrm{m}$ folgt aus der Herstellerangabe:

$Formula: \begin{array}[t]{rll} H &=& \left(3 \cdot 10^{-7}\;\dfrac{\mathrm{mSv} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{h} \cdot \mathrm{kBq}}\right) \cdot \dfrac{A \cdot \Delta t}{r^2} \\[5pt] &=& 4,5 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{mSv} \end{array}$ $Formula: \begin{array}[t]{rll} H &=& \left(3 \cdot 10^{-7}\;\dfrac{\mathrm{mSv} \cdot \mathrm{m}^2}{\mathrm{h} \cdot \mathrm{kBq}}\right) \cdot \dfrac{A \cdot \Delta t}{r^2} \\[5pt] &=& 4,5 \cdot 10^{-6}\;\mathrm{mSv} \end{array}$

Die effektive Dosis während des Experiments beträgt somit $Formula: 4,5\cdot10^{-6}\;\mathrm{mSv}.$ $Formula: 4,5\cdot10^{-6}\;\mathrm{mSv}.$ Sie ist im Vergleich zur jährlichen natürlichen Strahlenexposition von etwa $Formula: 2,1\;\mathrm{mSv}$ $Formula: 2,1\;\mathrm{mSv}$ sehr klein.

Für ein Verbot spricht, dass ionisierende Strahlung grundsätzlich eine zusätzliche, künstlich verursachte Belastung darstellt. Wo sich Lernziele gleichwertig mit ungefährlichen Ersatzversuchen oder Simulationen erreichen lassen, sollte diese Belastung vermieden werden.

Gegen ein generelles Verbot spricht die sehr geringe in Teilaufgabe a) bestimmte Dosis. Auch bei mehreren Versuchen bleibt sie bei sachgerechtem Umgang weit unter der natürlichen Jahresdosis und dem zulässigen Grenzwert für die zusätzliche Exposition von Schülerinnen und Schülern. Darüber hinaus ermöglicht der Umgang mit einer realen Quelle wichtige Erfahrungen zu Schutzmaßnahmen.

Ein pauschales Verbot ist daher nicht angemessen. Sinnvoll sind stattdessen verbindliche Schutzmaßnahmen wie kurze Aufenthaltsdauer, möglichst großer Abstand, sichere Aufbewahrung der Quelle und eine fachkundige Aufsicht.

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HT 4 — Schulexperimente zu Radioaktivität und Strahlenschutz

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Material 1

Material 2

Material 3

Material 4

Material 5

Beschreibung eines Schulexperiments mit einem --Strahlerstift:

Informationen des Herstellers zur Strahlenbelastung durch den --Strahlerstift:

Informationen zur natürlichen und zivilisatorischen Strahlenbelastung:

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Beschreibung eines Schulexperiments mit einem $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ - $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ -Strahlerstift:

Informationen des Herstellers zur Strahlenbelastung durch den $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{\mathrm{Ra}}}$ - $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ $Formula: \boldsymbol{\color{#287882}{226}}$ -Strahlerstift: