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Textaufgabenβ-Strahlung

Fünf Sachaufgaben vom Zerfallsschema bis zur Altersbestimmung — mit Operatoren, gestuften Hinweisen und vollständigem Erwartungshorizont zur Selbstkontrolle.

Zum NachschlagenZurück zur Erklärungβ-Zerfall in drei Sätzen, die beiden Zerfallsgleichungen und der Steckbrief.
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Textaufgaben

In allen fünf Aufgaben steht dieselbe Kernidee im Mittelpunkt: Beim β-Zerfall wird ein Nukleon umgebaut — A bleibt, Z springt um eins. Darauf bauen Zerfallsgleichungen, Bahnen im Magnetfeld, medizinische Anwendungen und die Altersbestimmung auf. Zu jeder Teilaufgabe gibt es einen Hinweis und einen Erwartungshorizont — öffne den Erwartungshorizont erst, wenn du deine eigene Lösung aufgeschrieben hast. Fahre mit der Maus über die Operatoren, um zu sehen, was jeweils verlangt ist.

1

Die Zerfallskette des Strontium-90

AFB I

Strontium-90 ist eines der bekanntesten Spaltprodukte aus Kernreaktoren. Es zerfällt in zwei Schritten zum stabilen Zirconium-90 (Material M1). Es gilt: Z(Sr) = 38, Z(Y) = 39, Z(Zr) = 40.

M1Zerfallsschema von Strontium-90
Sr-90 Z = 38 Y-90 Z = 39 Zr-90 stabil β− β− 28,8 a 64 h Halbwertszeiten unter den Pfeilen

Strontium-90 entsteht in Kernreaktoren und wird vom Körper wie Calcium in die Knochen eingebaut.

  1. Aufstellen Sie die beiden Zerfallsgleichungen der Kette in der Schreibweise \( {}^{A}_{Z}\mathrm{X} \).
  2. Begründen Sie, warum die Nukleonenzahl auf dem gesamten Weg von Sr-90 bis Zr-90 unverändert bleibt.
  3. Angeben Sie, wie viele Protonen und wie viele Neutronen Sr-90 und Zr-90 jeweils besitzen, und beschreiben Sie, was sich beim Übergang insgesamt geändert hat.
Hinweis zu Aufgabe a)
Ein β⁻-Zerfall erhöht Z um 1 und lässt A unverändert. Das Elektron wird als \( {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \) mitgeschrieben.
Hinweis zu Aufgabe b)
Überlege, welche Teilchen den Kern verlassen — und ob diese Teilchen Nukleonen sind.
Hinweis zu Aufgabe c)
Es gilt N = A − Z. Vergleiche die beiden Zahlenpaare am Anfang und am Ende der Kette.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\( {}^{90}_{38}\mathrm{Sr} \rightarrow {}^{90}_{39}\mathrm{Y} + {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \) und \( {}^{90}_{39}\mathrm{Y} \rightarrow {}^{90}_{40}\mathrm{Zr} + {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \).

Probe für den ersten Schritt: Nukleonenzahl 90 = 90 + 0, Kernladungszahl 38 = 39 + (−1). Für den zweiten Schritt entsprechend 90 = 90 + 0 und 39 = 40 + (−1).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Bei jedem β⁻-Zerfall verlässt nur ein Elektron den Kern. Ein Elektron ist kein Nukleon; es trägt in der Bilanz A = 0. Im Kern selbst wird lediglich ein Neutron in ein Proton umgebaut — die Gesamtzahl der Kernteilchen ändert sich dabei nicht. Deshalb steht in der ganzen Kette dreimal die Massenzahl 90.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Sr-90: 38 Protonen und 90 − 38 = 52 Neutronen. Zr-90: 40 Protonen und 90 − 40 = 50 Neutronen.

Insgesamt sind aus zwei Neutronen zwei Protonen geworden. Die Zahl der Kernteilchen ist mit 90 gleich geblieben, die Ladung des Kerns ist um zwei Elementarladungen gestiegen. Antwortsatz: Der Kern hat kein Nukleon verloren, sondern zwei Neutronen in Protonen umgewandelt und dabei zwei Elemente „nach oben“ gewechselt.

2

Drei Bahnen im Magnetfeld

AFB II

Ein radioaktives Präparat steckt in einem Bleiblock mit einer engen Bohrung. Die austretende Strahlung durchläuft ein Magnetfeld und wird auf einem Schirm registriert. Man beobachtet die drei in Material M2 gezeigten Bahnen. Bahn 1 ist deutlich stärker gekrümmt als Bahn 3.

M2Drei Strahlungsarten im Magnetfeld
Präparat in Blei Magnet N Magnet S 1 2 3

Alle drei Bahnen starten am selben Präparat. Nur die Krümmung im Magnetfeld unterscheidet sie.

  1. Entscheiden Sie für jede der drei Bahnen, welche Strahlungsart vorliegt.
  2. Begründen Sie, warum Bahn 1 stärker gekrümmt ist als Bahn 3, obwohl beide Teilchen eine einfache bzw. doppelte Elementarladung tragen.
  3. Ein Mitschüler behauptet, das Präparat könne kein β⁺-Strahler sein, weil keine vierte Bahn zu sehen ist. Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweis zu Aufgabe a)
Ungeladene Strahlung wird gar nicht abgelenkt. Entgegengesetzte Ladungen werden zu entgegengesetzten Seiten gedrängt.
Hinweis zu Aufgabe b)
Die Krümmung hängt nicht nur von der Ladung ab, sondern vor allem vom Verhältnis aus Ladung und Masse. Vergleiche die Massen von Elektron und α-Teilchen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Überlege, wohin eine vierte Bahn im Bild laufen müsste — und ob sie im Bild von einer schon vorhandenen Bahn zu unterscheiden wäre.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Bahn 2 gehört zur γ-Strahlung: Sie ist ungeladen und wird deshalb überhaupt nicht abgelenkt. Bahn 1 und Bahn 3 sind entgegengesetzt gekrümmt, tragen also entgegengesetzte Ladungen. Da Bahn 1 die viel stärkere Krümmung zeigt, gehört sie zur β⁻-Strahlung (Elektronen), Bahn 3 zur α-Strahlung (zweifach positive Heliumkerne).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Die Bahn eines geladenen Teilchens im Magnetfeld wird umso stärker gekrümmt, je größer das Verhältnis \( \frac{q}{m} \) ist. Ein α-Teilchen trägt zwar die doppelte Ladung, ist aber rund 7200-mal schwerer als ein Elektron. Sein Verhältnis \( \frac{q}{m} \) ist damit etwa 3600-mal kleiner, und es weicht nur wenig von der geraden Bahn ab. Das leichte β-Teilchen wird dagegen stark abgelenkt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Die Aussage ist nicht haltbar. Ein Positron trägt eine positive Elementarladung und dieselbe Masse wie ein Elektron; seine Bahn wäre also genauso stark gekrümmt wie Bahn 1, nur zur anderen Seite. Eine solche Bahn ist im Bild nicht vorhanden — sie fiele auch nicht mit Bahn 3 zusammen, weil α-Teilchen viel schwächer abgelenkt werden.

Richtig ist also nur die schwächere Behauptung: Aus diesem Versuch folgt, dass das Präparat hier keine β⁺-Strahlung aussendet. Ein grundsätzliches Argument gegen die Existenz von β⁺-Strahlern ist das nicht — Natrium-22 etwa ist einer. Antwortsatz: Die Begründung des Mitschülers ist falsch, seine Schlussfolgerung für dieses eine Präparat zufällig richtig.

3

Der PET-Scanner in der Medizin

AFB II

In der Positronen-Emissions-Tomografie (PET) erhalten Patientinnen und Patienten eine schwach radioaktive Zuckerlösung. Der Zucker enthält das Nuklid Fluor-18 (A = 18, Z = 9), einen β⁺-Strahler mit einer Halbwertszeit von 110 Minuten. Das ausgesendete Positron trifft schon nach wenigen Millimetern im Gewebe auf ein Elektron. Beide Teilchen verschwinden dabei und es entstehen zwei γ-Quanten, die in genau entgegengesetzte Richtungen davonfliegen und außerhalb des Körpers gemessen werden.

Elementsymbole: O = Sauerstoff (Z = 8), F = Fluor (Z = 9), Ne = Neon (Z = 10).

  1. Aufstellen Sie die Zerfallsgleichung von Fluor-18 und geben Sie den Tochterkern an.
  2. Erläutern Sie, warum bei diesem Verfahren nicht das Positron selbst, sondern die γ-Quanten gemessen werden.
  3. Für eine Untersuchung werden zu Beginn 400 MBq benötigt. Das Präparat wird im Zyklotron hergestellt und muss transportiert werden. Berechnen Sie, welche Aktivität nach 220 Minuten noch vorliegt, und begründen Sie, warum Fluor-18 nicht auf Vorrat produziert werden kann.
Hinweis zu Aufgabe a)
Beim β⁺-Zerfall sinkt Z um 1, A bleibt gleich. Das Positron wird als \( {}^{\;\;0}_{+1}\mathrm{e} \) geschrieben.
Hinweis zu Aufgabe b)
Vergleiche die Reichweiten: Wie weit kommt ein β-Teilchen in Materie — und wie weit kommt γ-Strahlung?
Hinweis zu Aufgabe c)
220 Minuten sind genau zwei Halbwertszeiten. Nach jeder Halbwertszeit halbiert sich die Aktivität.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\( {}^{18}_{\;\;9}\mathrm{F} \rightarrow {}^{18}_{\;\;8}\mathrm{O} + {}^{\;\;0}_{+1}\mathrm{e} \). Der Tochterkern ist Sauerstoff-18. Probe: 18 = 18 + 0 und 9 = 8 + 1.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Ein Positron ist ein geladenes, sehr leichtes Teilchen. Es gibt seine Energie im Gewebe schon nach wenigen Millimetern ab und verlässt den Körper nicht — außerhalb wäre es also gar nicht nachweisbar. Die beim Zusammentreffen mit einem Elektron entstehende γ-Strahlung ist dagegen ungeladen und sehr durchdringend; sie tritt aus dem Körper aus und kann von Detektoren registriert werden.

Zusätzlicher Vorteil: Da die beiden γ-Quanten in exakt entgegengesetzte Richtungen fliegen, liegt der Zerfallsort auf der Verbindungslinie zweier gleichzeitig ansprechender Detektoren. Aus vielen solchen Linien berechnet der Rechner das Bild.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

220 min : 110 min = 2, also sind zwei Halbwertszeiten vergangen: \( A = 400\,\mathrm{MBq} \cdot \left(\tfrac{1}{2}\right)^{2} = 100\,\mathrm{MBq} \).

Nach nicht einmal vier Stunden ist also nur noch ein Viertel der Aktivität übrig; nach einem Tag (etwa 13 Halbwertszeiten) wären es weniger als 0,02 % . Antwortsatz: Fluor-18 lässt sich nicht lagern — es muss in einem Zyklotron in der Nähe der Klinik hergestellt und innerhalb weniger Stunden verwendet werden.

4

Dickenmessung in der Folienfabrik

AFB II

In einem Walzwerk wird Aluminiumfolie hergestellt. Über der Folie sitzt ein β⁻-Präparat (Strontium-90), darunter ein Geiger-Müller-Zählrohr. Je dicker die Folie, desto weniger β-Teilchen kommen durch. Die Anlage regelt die Walzen automatisch nach, sobald die Zählrate vom Sollwert abweicht. Material M3 zeigt eine Kalibriermessung.

M3Messreihe zur Dickenmessung
Zählrate hinter der Aluminiumfolie
Foliendicke d in mm0,000,050,100,150,20
Zählrate in 1/s820610452336250

Der Nulleffekt (Untergrundstrahlung) von 20 1/s ist in den Werten bereits abgezogen.

  1. Beschreiben Sie, wie sich die Zählrate mit wachsender Foliendicke verändert.
  2. Im laufenden Betrieb misst das Zählrohr 400 1/s. Geben Sie mithilfe von M3 die zugehörige Foliendicke näherungsweise an.
  3. Begründen Sie, warum für diese Aufgabe ein β-Strahler und weder ein α- noch ein reiner γ-Strahler geeignet ist.
  4. Das Präparat hat eine Halbwertszeit von 28,8 Jahren. Beurteilen Sie, ob die Anlage deshalb nach einigen Jahren falsche Dicken anzeigen wird.
Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleiche jeweils zwei benachbarte Werte. Nimmt die Zählrate immer um denselben Betrag ab — oder um denselben Anteil?
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Wert 400 liegt zwischen zwei Tabellenwerten. Schätze zwischen den beiden zugehörigen Dicken ab.
Hinweis zu Aufgabe c)
Denke an die Reichweiten: α wird schon von Papier gestoppt, γ durchdringt eine dünne Folie fast ungehindert.Ein Messverfahren funktioniert nur, wenn das Messsignal auf die gesuchte Größe überhaupt reagiert.
Hinweis zu Aufgabe d)
Überlege, wie groß die Abnahme der Aktivität in einem Jahr ist — und ob eine gleichmäßig sinkende Quelle die Zuordnung Zählrate → Dicke oder nur das Niveau der Werte verschiebt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Zählrate nimmt mit wachsender Dicke ab, und zwar nicht um einen festen Betrag, sondern näherungsweise um einen festen Anteil: 610/820 ≈ 0,74; 452/610 ≈ 0,74; 336/452 ≈ 0,74; 250/336 ≈ 0,74. Pro 0,05 mm bleiben also rund 74 % der Teilchen übrig — die Abnahme verläuft exponentiell, ähnlich wie beim Zerfallsgesetz.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

400 1/s liegt zwischen 452 1/s (0,10 mm) und 336 1/s (0,15 mm), und zwar näher an 452. Lineare Zwischenrechnung: \( d \approx 0{,}10\,\mathrm{mm} + \frac{452-400}{452-336}\cdot 0{,}05\,\mathrm{mm} \approx 0{,}12\,\mathrm{mm} \). Antwortsatz: Die Folie ist etwa 0,12 mm dick.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

α-Strahlung würde bereits von der Luftstrecke und der Folie vollständig absorbiert: Das Zählrohr bekäme unabhängig von der Dicke immer null Teilchen, das Signal enthielte keine Information. Reine γ-Strahlung durchdringt eine so dünne Aluminiumfolie dagegen fast ungeschwächt: Die Zählrate würde sich kaum ändern, kleine Dickenunterschiede blieben im statistischen Rauschen.

β-Strahlung liegt genau dazwischen — sie wird von der Folie merklich, aber nicht vollständig geschwächt. Nur dann reagiert das Messsignal empfindlich auf die gesuchte Größe.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aktivität sinkt tatsächlich, aber sehr langsam: In einem Jahr geht sie um etwa \( 1-\left(\tfrac12\right)^{1/28{,}8} \approx 2{,}4\,\% \) zurück. Wichtiger ist ein grundsätzlicher Punkt: Der Rückgang betrifft alle Messwerte im selben Verhältnis, weil die Schwächung durch die Folie ein fester Anteil ist. Die Zuordnung „Zählrate → Dicke“ verschiebt sich also gleichmäßig und lässt sich durch eine gelegentliche Neukalibrierung (oder durch eine Nullmessung ohne Folie) vollständig ausgleichen.

Urteil: Ohne Nachkalibrierung würde die Anlage die Folie mit der Zeit für zu dick halten; mit regelmäßiger Kalibrierung ist die lange Halbwertszeit von Sr-90 gerade ein Vorteil — das Präparat hält jahrzehntelang durch und muss nicht ständig ersetzt werden.

5

Die C-14-Methode — und ihre Grenze

AFB III

In der Atmosphäre entsteht laufend das Nuklid Kohlenstoff-14 (A = 14, Z = 6). Es ist ein β⁻-Strahler mit einer Halbwertszeit von 5730 Jahren. Lebende Pflanzen und Tiere nehmen Kohlenstoff auf, sodass in ihnen ein fester Anteil C-14 steckt. Mit dem Tod hört die Aufnahme auf, und der C-14-Anteil sinkt von da an nach dem Zerfallsgesetz.

Bei einem Fund aus einer Höhle misst man in einer Holzkohleprobe nur noch 25 % des C-14-Anteils, den frisches Holz zeigt. Elementsymbole: B = Bor (Z = 5), C = Kohlenstoff (Z = 6), N = Stickstoff (Z = 7).

  1. Aufstellen Sie die Zerfallsgleichung von C-14.
  2. Berechnen Sie das Alter der Holzkohle.
  3. Erläutern Sie, warum die Methode voraussetzt, dass der C-14-Anteil in der Atmosphäre über die Jahrtausende annähernd konstant war.
  4. Ein Museum möchte mit derselben Methode das Alter eines Steinbeils aus Feuerstein sowie das eines 200 Jahre alten Balkens bestimmen. Beurteilen Sie beide Vorhaben.
Hinweis zu Aufgabe a)
Der Tochterkern hat ein Proton mehr als Kohlenstoff.
Hinweis zu Aufgabe b)
25 % sind die Hälfte der Hälfte.
Hinweis zu Aufgabe c)
Die Methode vergleicht den gemessenen Anteil mit dem Anteil in frischem Holz. Was wird dabei stillschweigend über die Vergangenheit angenommen?
Hinweis zu Aufgabe d)
Zwei getrennte Fragen: Enthält das Material überhaupt Kohlenstoff aus einem Lebewesen? Und: Ist der Unterschied zum frischen Wert nach dieser Zeit überhaupt messbar?
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\( {}^{14}_{\;\;6}\mathrm{C} \rightarrow {}^{14}_{\;\;7}\mathrm{N} + {}^{\;\;0}_{-1}\mathrm{e} \). Aus Kohlenstoff-14 wird Stickstoff-14; A bleibt 14, Z steigt von 6 auf 7. Probe: 14 = 14 + 0 und 6 = 7 + (−1).

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

25 % = \( \left(\tfrac12\right)^{2} \), es sind also genau zwei Halbwertszeiten vergangen: \( t = 2 \cdot 5730\,\mathrm{a} = 11\,460\,\mathrm{a} \). Antwortsatz: Die Holzkohle ist rund 11 500 Jahre alt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Gemessen wird nur der heutige C-14-Anteil der Probe. Um daraus ein Alter zu berechnen, braucht man den Startwert — also den Anteil, den das Holz zum Zeitpunkt seines Todes hatte. Diesen Startwert entnimmt man frischem Holz von heute.

Das ist nur dann zulässig, wenn der C-14-Anteil in der Atmosphäre damals ungefähr genauso groß war wie heute, wenn also Neubildung durch die kosmische Strahlung und Zerfall im Gleichgewicht standen. Wäre der Anteil früher deutlich höher gewesen, hätte die Probe mehr C-14 mitbekommen und erschiene heute jünger, als sie ist. Tatsächlich schwankt der Anteil leicht (und ist seit den Kernwaffentests des 20. Jahrhunderts merklich verändert), weshalb Messungen mit Eichkurven aus Baumringen korrigiert werden.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Steinbeil: Feuerstein ist ein Mineral und enthält keinen Kohlenstoff aus einem Lebewesen. Es gibt also gar kein C-14, dessen Zerfall man verfolgen könnte — die Methode ist hier grundsätzlich nicht anwendbar. Datierbar wären allenfalls organische Reste am Fund, etwa der Holzgriff oder Pflanzenharz als Kleber.

Balken: Kohlenstoff ist vorhanden, aber 200 Jahre sind nur \( \tfrac{200}{5730} \approx 3{,}5\,\% \) einer Halbwertszeit. Der C-14-Anteil wäre erst um rund 2,4 % gesunken — ein Unterschied, der in der Größenordnung der Messunsicherheit und der natürlichen Schwankungen liegt. Urteil: Beide Vorhaben scheitern, aber aus verschiedenen Gründen — beim Beil fehlt das Material, beim Balken die Zeit. Für junge Hölzer ist die Jahresringzählung das geeignete Verfahren.