HT 2
Eigenschaften und Anwendungen des radioaktiven Isotops 
Das chemische Element Phosphor kommt in mehreren Erscheinungsformen und vielen mineralischen Verbindungen in der Natur vor. Zudem ist Phosphor neben anderen Elementen einer der Grundbausteine für den Aufbau des DNA-Moleküls, und kommt zudem in vielen weiteren biologisch relevanten Molekülen vor. Das radioaktive Phosphorisotop Teilaufgabe 1: Eigenschaften des Isotops 
Phosphor ist mit der Ordnungszahl
Abbildung 1: Auszug aus der Nuklidkarte
a)
Gib an, aus wie vielen Protonen und Neutronen der Kern des in der Natur vorkommenden stabilen Phosphorisotops besteht.
Im Weiteren geht es um die Eigenschaften des radioaktiven Phosphorisotops
b)
Das Phosphorisotop
wandelt sich durch einen
-Zerfall um.
-Zerfall umwandeln, entsteht zusätzlich noch
-Strahlung.
benötigt, dann muss man es dazu im Labor künstlich herstellen. Diese Herstellung erfolgt, indem die stabilen Nuklide
oder
mit Neutronen bestrahlt werden. In beiden Fällen findet jeweils eine Kernreaktion statt, bei der ein
- Kern sowie ein weiteres Teilchen entsteht.
- Gib die komplette Zerfallsgleichung für dieses Isotop an.
- Nenne einen wesentlichen Unterschied zwischen den Eigenschaften der
-Strahlung und der
-Strahlung.
- Gib für beide stabilen Nuklide an, welches weitere Teilchen außer dem
- Kern bei der entsprechenden Kernreaktion noch entsteht.
c)
Ein Nachweis auch kleiner Mengen des Phosphorisotops
ist durch die Messung der beim
-Zerfall dieses Kerns entstehenden ionisierenden Strahlung möglich. Eine solche Messung der ionisierenden Strahlung erfolgt im einfachsten Fall mit einem Geiger-MüllerZählrohr (GM-Zähler). Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines GM-Zählers.
Erläutere unter Bezug auf Abbildung 2 die prinzipielle Funktionsweise eines GM-Zählers.
Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau eines GM-Zählers
d)
Der GM-Zähler ist im Prinzip für alle Arten ionisierender Strahlung geeignet, jedoch gibt es bei der Nachweisempfindlichkeit je nach Strahlungsart große Unterschiede. Die Ionisierungsfähigkeit von
- und
-Strahlung in einem gegebenen Gasvolumen verhält sich bei gleicher Strahlungsintensität ungefähr wie
-Strahlung die größte Ionisierungsfähigkeit in Gas besitzt, kann mit üblichen GM-Zählern nur ein sehr geringer Anteil der von außen auf den Zähler treffenden
-Strahlung tatsächlich nachgewiesen werden.
- Begründe anhand dieser Information, dass ein GM-Zähler bei gleicher Strahlungsintensität für den Nachweis von
-Strahlung weniger gut geeignet ist als für den Nachweis von
-Strahlung.
- Begründe diesen Umstand mit einer Eigenschaft der
-Strahlung.
(2 + 7 + 5 + 5 Punkte)
Teilaufgabe 2: Zerfallseigenschaften des 
Während ein GM-Zähler nur einen kleinen Teil der einfallenden ionisierenden Strahlung nachweisen kann, sind andere Detektortypen erheblich empfindlicher und werden heute in wissenschaftlichen Laborgeräten verwendet.
a)
Von einer speziellen Labormessapparatur für
-Strahler ist bekannt, dass sie einen Anteil von
aller
-Zerfallsereignisse in einer Probe registriert.
In diese Labormessapparatur wird nun ein Präparat mit einer unbekannten Menge
eingebracht. Außer dem Phosphorisotop
befindet sich kein weiteres radioaktives Nuklid in der Probe. Für eine Messzeit von jeweils
wird nun kurz hintereinander von dieser Messapparatur die Anzahl der registrierten
-Zerfallsereignisse dieser Probe ermittelt. Es ergeben sich die folgenden, bereits untergrundkorrigierten Messwerte:
Tabelle 1: Messwerte
Du kannst davon ausgehen, dass sich die Aktivität der Probe während der vier Messungen nicht verändert hat.
reinem
in
insgesamt
Zerfälle stattfinden, diese Menge
demnach die Aktivität
besitzt.
| Messung mit Probe | registrierte Ereignisse |
|---|---|
| 1 | 74863 |
| 2 | 74630 |
| 3 | 75003 |
| 4 | 74761 |
- Gib die wesentliche Ursache dafür an, warum sich die Werte der vier Einzelmessungen trotz gleicher Messbedingungen voneinander unterscheiden.
Du kannst davon ausgehen, dass sich die Aktivität der Probe während der vier Messungen nicht verändert hat.
- Zeige unter Verwendung aller Messwerte, dass in der Probe
-Zerfallsereignisse pro Sekunde stattfinden.
- Bestimme die Gesamtmenge des Phosphorisotops
in der Probe in der Maßeinheit „Pikogramm “, wobei
ist.
b)
In den folgenden Wochen wurde regelmäßig die Aktivität der Probe aus Teilaufgabe 2a) mit der beschriebenen Labormessapparatur bestimmt. Abbildung 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Messwerte.
- Beschreibe, wie man anhand der Messwerte in Abbildung 3 einen Wert für die Halbwertszeit
des Phosphorisotops
bestimmen kann.
- Bestimme anhand der Messwerte in Abbildung 3 einen Wert für die Halbwertszeit des Phosphorisotops
in Tagen und Stunden.
Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf der Aktivität der
P-Probe
c)
Eine genaue Auswertung ergibt, dass die Halbwertszeit des Phosphorisotops
beträgt.
Die Nachweisgrenze der Laborapparatur aus Teilaufgabe 2a) für
-Strahlung ist dann erreicht, wenn die Aktivität einer Messprobe in die Größenordnung
kommt.
Bestimme, nach wie vielen Wochen die
-Probe aus Teilaufgabe 2a) die Nachweisgrenze für die Labormessapparatur erreicht.
(8 + 6 + 4 Punkte)
Teilaufgabe 3: Einsatz des
als Marker in der Nutzpflanzenforschung
Das Element Phosphor ist in Form von Phosphat ein wesentlicher Bestandteil von Düngemitteln. Bei der Bewertung neugezüchteter Nutzpflanzen ist deren Aufnahme der Nährstoffe aus Düngemitteln ein wichtiges Kriterium. Das radioaktive Phosphorisotop
Tabelle 2:
-Aktivität zweier Gerstensorten
a)
Erläutere, dass es für eine vergleichende wissenschaftliche Untersuchung der Düngeraufnahme unbedingt erforderlich ist, dass für beide Gerstensorten die Bodenbeschaffenheit, Wasserzufuhr, Temperatur und Lichtverhältnisse gleich sind.
b)
Begründe, dass es notwendig ist, die Aktivität der Proben schon vor der Düngung zu messen.
c)
Begründe, dass die mengenmäßige Abnahme des Isotops
durch radioaktiven Zerfall während dieser Untersuchung keinen Einfluss auf die Fragestellung hat, welche Gestensorte mehr Dünger aufnimmt.
d)
Eine der beiden Gerstensorten ist dann zu bevorzugen, wenn sie aus dem Dünger unter gleichen Bedingungen mindestens
mehr Phosphor aufnimmt als die andere Sorte. Untersuche anhand der Messdaten, ob eine der Gerstensorten zu bevorzugen ist.
Hinweis:
Beziehe die unterschiedliche Masse der Proben in deine Untersuchung mit ein.
Beziehe die unterschiedliche Masse der Proben in deine Untersuchung mit ein.
(2 + 2 + 3 + 6 Punkte)
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Teillösung 1: Eigenschaften des Isotops 
a)
Aus dem PSE ergibt sich: Das stabile Phosphorisotop ist
Der Kern des stabilen Phosphorisotops
besteht aus 15 Protonen und 16 Neutronen.
b)
Bei dem
-Zerfall wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt und dabei ein Elektron und ein Antineutrino emittiert. Für die Zerfallsgleichung des
-Zerfalls eines Isotops
gilt:
Die
-Strahlung besteht aus geladenen Teilchen, nämlich Elektronen (
Zerfall) oder Positronen (
Zerfall), die mit hoher Geschwindigkeit aus dem Atomkern emittiert werden. Diese geladenen Teilchen haben eine Masse und eine elektrische Ladung und können durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden.
Die
-Strahlung besteht aus hochenergetischen elektromagnetischen Wellen (Photonen). Im Gegensatz zu
-Teilchen sind
-Strahlen elektrisch neutral, haben keine Masse und werden nicht von elektrischen Feldern abgelenkt.
Bei der Herstellung von
durch Neutronenbestrahlung von
entsteht die folgende Kernreaktion:
Das Neutron bewirkt einen
-Zerfall, bei dem ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird und ein Positron und ein Neutrino emmitiert wird.
Bei der Herstellung von
durch Neutronenbestrahlung von
entsteht die folgende Kernreaktion:
Das Neutron bewirkt einen
-Zerfall. Das Mutternuklid des
zerfällt in das Tochternuklid
und in das
-Teilchen
c)
Ein Geiger-Müller-Zählrohr (GM-Zähler) besteht aus einem gasgefüllten Rohr mit Anode (positiv geladen) und Kathode (negativ geladen), zwischen denen eine hohe Spannung anliegt. Wenn ionisierende Strahlung in das Rohr eintritt, ionisiert sie das Gas, indem sie durch Stoßionisation Elektronen aus den Gasatomen schlägt. Diese stoßen weitere Elektronen aus den Gasatomen, es kommt zur Elektronenlawine. Die Elektronen lagern sich am Zähldraht ab, erzeugen einen Stromfluss und werden durch den elektrischen Impuls gezählt. Dies ermöglicht die Messung ionisierender Strahlung.
d)
Die geringere Empfindlichkeit für die Detektion von
-Strahlung im Vergleich zur
-Strahlung liegt daran, dass
-Strahlung im selben Gasvolumen des Zählers weniger Ionen erzeugt. Bei gleicher Strahlungsintensität entstehen etwa
-mal weniger Ionen durch
-Strahlung im Vergleich zur
-Strahlung.
Die geringe Nachweisempfindlichkeit für
-Strahlung in üblichen GM-Zählern liegt an ihrer begrenzten Durchdringungsfähigkeit.
-Teilchen sind vergleichsweise groß und schwer geladen, was dazu führt, dass sie bereits in einem kleinen Bereich des Zählrohrs gestoppt werden. Aufgrund dieser begrenzten Reichweite erreichen viele
-Teilchen den Draht im Zählrohr nicht und können daher nicht detektiert werden.
Teillösung 2: Zerfallseigenschaften des 
a)
Die Unterschiede in den Werten der vier Einzelmessungen trotz gleicher Messbedingungen sind hauptsächlich auf statistische Schwankungen zurückzuführen. Radioaktiver Zerfall ist ein zufälliger Prozess, und jede Messung erfasst nur eine begrenzte Anzahl von Ereignissen. Daher variieren die gemessenen Werte von Messung zu Messung aufgrund der statistischen Natur des Zerfalls.
Der Durchschnitt der registrierten Ereignisse liefert:
Für die durchschnittliche Anzahl der registrierten
-Zerfallsereignisse pro Sekunde gilt:
Die Labormessapparatur erfasst nur
aller
Zerfallsereignisse in einer Probe. Für die Anzahl aller
Zerfallsereignisse in einer Probe gilt:
Die Aktivität
der Probe entpricht der Anzahl der Zerfallseregnisse pro Sekunde und damit
Die spezifische Aktivität für
reinem
ist gegegeben mit
Für die Aktivität
der Probe gilt:
Einsetzen der Werte liefert:
b)
Die Halbwertszeit ist die Zeit, die benötigt wird, damit die Aktivität auf die Hälfte ihres ursprünglichen Werts abfällt. Die ursprüngliche Aktivität
zum Zeitpunkt
beträgt
Für die Häfte von
gilt:
Ablesen des zugehörige x-Wertes von
liefert
c)
Es gilt:
Einsetzen der Werte liefert:
Teillösung 3: Einsatz des
als Marker in der Nutzpflanzenforschung
a)
Um eine wissenschaftliche Untersuchung zur Düngeraufnahme in Gerstensorten sinnvoll zu vergleichen, müssen die Umweltbedingungen wie Bodenbeschaffenheit, Wasserzufuhr, Temperatur und Lichtverhältnisse für alle Sorten gleich sein. Unterschiede in diesen Faktoren könnten zu verfälschten Ergebnissen führen. Einheitliche Bedingungen gewährleisten, dass beobachtete Unterschiede auf genetische Unterschiede und nicht auf Umweltvariablen zurückzuführen sind, was zuverlässige wissenschaftliche Schlussfolgerungen ermöglicht.
b)
Die Messung der Aktivität der Proben vor der Düngung ist wichtig, um eine Ausgangsbasis für spätere Vergleiche zu haben. Sie ermöglicht die Quantifizierung der Aufnahme des markierten
aus dem Dünger durch die Pflanzen und dient als Referenzpunkt für die Bewertung der Effektivität der Düngeraufnahme.
c)
Dies liegt daran, dass die Nährstoffaufnahme durch die Menge des aufgenommenen Düngers bestimmt wird, die konstant bleibt, unabhängig von der Aktivitätsabnahme. Beim Vergleich der Aktivitäten vor und nach der Düngung gleicht sich der Effekt des radioaktiven Zerfalls aus und hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse. Die Untersuchung konzentriert sich auf die Düngeraufnahmeeffizienz der Sorten, die unabhängig von der Aktivitätsabnahme ist.
d)
Für den Prozentsatz der Differenz der Sorte A gilt:
Für den Aktivitätsunterschied der Sorte A gilt:
Für die tatsächlich aufgenommene Menge an
in der Sorte A gilt:
Für den Aktivitätsunterschied der Sorte B gilt:
Für die tatsächlich aufgenommene Menge an
in der Sorte B gilt:
Vergleich der prozentualen Unterschiede:
Da der prozentuale Unterschied in der aufgenommenen Menge an
zwischen Sorte B und Sorte A etwa
beträgt, hat Sorte B deutlich mehr Phosphor aus dem Dünger aufgenommen als Sorte A. Damit erfüllt Sorte B das Kriterium, mindestens 15% mehr Phosphor aufzunehmen, und kann als bevorzugte Sorte in Bezug auf die Düngeraufnahme betrachtet werden.