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HT 2

Eigenschaften und Anwendungen des radioaktiven Isotops \({ }^{32} \text P\)

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 \({ }^{32}\text P\) ist durch seine Strahlung messbar und bietet sich daher an, biologische Stoffwechselprozesse auf molekularer Ebene experimentell zu untersuchen.

Teilaufgabe 1: Eigenschaften des Isotops \({ }^{32}\text P\)

Phosphor ist mit der Ordnungszahl \(\text Z=15\) in das Periodensystem der Elemente eingeordnet. Im Zuge der kernphysikalischen Untersuchungen aller Elemente zeigte sich, dass in der Natur lediglich ein stabiles Phosphorisotop vorkommt. Abbildung 1 zeigt den entsprechenden Ausschnitt der Isotopentafel.
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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 \({ }^{32}\text P.\)
b)
Das Phosphorisotop \({ }^{32}\text P\) wandelt sich durch einen \(\beta^{-}\)-Zerfall um.
  • Gib die komplette Zerfallsgleichung für dieses Isotop an.
Bei den allermeisten instabilen Nukliden, die sich durch einen \(\beta\)-Zerfall umwandeln, entsteht zusätzlich noch \(\gamma\)-Strahlung.
  • Nenne einen wesentlichen Unterschied zwischen den Eigenschaften der \(\beta\)-Strahlung und der \(\gamma\)-Strahlung.
Wenn man für wissenschaftliche Untersuchungen das Phosphorisotop \({ }^{32}\text P\) benötigt, dann muss man es dazu im Labor künstlich herstellen. Diese Herstellung erfolgt, indem die stabilen Nuklide \({ }^{32}\text S\) oder \({ }^{35}\text{Cl}\) mit Neutronen bestrahlt werden. In beiden Fällen findet jeweils eine Kernreaktion statt, bei der ein \({ }^{32}\text P\) - Kern sowie ein weiteres Teilchen entsteht.
  • Gib für beide stabilen Nuklide an, welches weitere Teilchen außer dem \({ }^{32}\text P\) - Kern bei der entsprechenden Kernreaktion noch entsteht.
c)
Ein Nachweis auch kleiner Mengen des Phosphorisotops \({ }^{32} \text P\) ist durch die Messung der beim \(\beta^{-}\)-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.
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Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau eines GM-Zählers
Erläutere unter Bezug auf Abbildung 2 die prinzipielle Funktionsweise 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 \(\alpha-,\) \(\beta\) - und \(\gamma\)-Strahlung in einem gegebenen Gasvolumen verhält sich bei gleicher Strahlungsintensität ungefähr wie \(10^4: 10^2: 1.\)
  • Begründe anhand dieser Information, dass ein GM-Zähler bei gleicher Strahlungsintensität für den Nachweis von \(\gamma\)-Strahlung weniger gut geeignet ist als für den Nachweis von \(\beta\)-Strahlung.
Obwohl \(\alpha\)-Strahlung die größte Ionisierungsfähigkeit in Gas besitzt, kann mit üblichen GM-Zählern nur ein sehr geringer Anteil der von außen auf den Zähler treffenden \(\alpha\)-Strahlung tatsächlich nachgewiesen werden.
  • Begründe diesen Umstand mit einer Eigenschaft der \(\alpha\)-Strahlung.
(2 + 7 + 5 + 5 Punkte)

Teilaufgabe 2: Zerfallseigenschaften des \({ }^{32}\text P\)

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 \(\beta^{-}\)-Strahler ist bekannt, dass sie einen Anteil von \(w=2,70\,\%\) aller \(\beta^{-}\)-Zerfallsereignisse in einer Probe registriert.
In diese Labormessapparatur wird nun ein Präparat mit einer unbekannten Menge \({ }^{32}\text P\) eingebracht. Außer dem Phosphorisotop \({ }^{32}\text P\) befindet sich kein weiteres radioaktives Nuklid in der Probe. Für eine Messzeit von jeweils \(\Delta t_{\text {mess }}=4,00 \,\text s\) wird nun kurz hintereinander von dieser Messapparatur die Anzahl der registrierten \(\beta^{-}\)-Zerfallsereignisse dieser Probe ermittelt. Es ergeben sich die folgenden, bereits untergrundkorrigierten Messwerte:
Messung mit Probe registrierte Ereignisse
1 74863
2 74630
3 75003
4 74761
Tabelle 1: Messwerte
  • Gib die wesentliche Ursache dafür an, warum sich die Werte der vier Einzelmessungen trotz gleicher Messbedingungen voneinander unterscheiden.
Hinweis:
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 \(n=6,93 \cdot 10^5\) \(\beta^{-}\)-Zerfallsereignisse pro Sekunde stattfinden.
Es ist bekannt, dass in \(m=1,00\,\text{mg}\) reinem \({ }^{32}\text P\) in \(\Delta t=1,00\,\text s\) insgesamt \(n=1,06 \cdot 10^{13}\) Zerfälle stattfinden, diese Menge \({ }^{32} \text P\) demnach die Aktivität \(A=1,06 \cdot 10^{13}\,\text{Bq}\) besitzt.
  • Bestimme die Gesamtmenge des Phosphorisotops \({ }^{32}\text P\) in der Probe in der Maßeinheit „Pikogramm “, wobei \(1\,\text{pg} =1 \cdot 10^{-12}\,\text g\) 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 \(T_{1 / 2}\) des Phosphorisotops \({ }^{32}\text P\) bestimmen kann.
  • Bestimme anhand der Messwerte in Abbildung 3 einen Wert für die Halbwertszeit des Phosphorisotops \({ }^{32}\text P\) in Tagen und Stunden.
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Abbildung 3: Zeitlicher Verlauf der Aktivität der \({ }^{32}\) P-Probe
c)
Eine genaue Auswertung ergibt, dass die Halbwertszeit des Phosphorisotops \({ }^{32}\text P\) \(T_{1 / 2}=1,235 \cdot 10^6 \,\text s\) beträgt.
Die Nachweisgrenze der Laborapparatur aus Teilaufgabe 2a) für \(\beta^{-}\)-Strahlung ist dann erreicht, wenn die Aktivität einer Messprobe in die Größenordnung \(A \approx 1 \cdot 10^2 \,\text{Bq}\) kommt.
Bestimme, nach wie vielen Wochen die \({ }^{32}\text P\)-Probe aus Teilaufgabe 2a) die Nachweisgrenze für die Labormessapparatur erreicht.
(8 + 6 + 4 Punkte)

Teilaufgabe 3: Einsatz des \({ }^{32}\text P\) 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 \({ }^{32}\text P\) eignet sich dabei gut für die Untersuchung dieser Eigenschaft der Pflanzen. Dazu wird einem Kunstdünger im Produktionsprozess ein kleiner Anteil des radioaktiven Phosphorisotops \({ }^{32}\text P\) hinzugefügt. Dieser radioaktiv markierte Kunstdünger hat ansonsten identische Eigenschaften wie das übliche Produkt.
Die Eigenschaft „Nährstoffaufnahme“ zweier neugezüchteter Gerstensorten (Sorte A und Sorte B) wird mit dem folgenden Vorgehen vergleichend untersucht:
Eine identische Anzahl von Pflanzen beider Gerstensorten werden in einem Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen angebaut. Die Nährstoffaufnahme aus dem Boden hängt bei Pflanzen von den Einflussfaktoren Bodenbeschaffenheit, Wasserzufuhr, Temperatur und den Lichtverhältnissen ab.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt \(t=0\) der Wachstumsphase wird dem Boden beider Gerstenarten einmalig die gleiche Menge des mit \({ }^{32}\text P\) radioaktiv markierten Düngers zugeführt. Vor der Zuführung des Düngers und dann \(\Delta t=7\,\text d\) nach Düngung werden Proben aus einem definierten Wurzelbereich beider Gerstensorten entnommen und deren \(\beta^{-}\)-Aktivität mit dem Labormessgerät aus Teilaufgabe 2 bestimmt.
nrw physik abi gk 2023 ht 2 tabelle 2 beta^- -Aktivität zweier Gerstensorten
Tabelle 2: \(\beta^{-}\)-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 \({ }^{32} \text P\) 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 \(15 \,\%\) 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.
(2 + 2 + 3 + 6 Punkte)

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