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Geiger-Müller-Zählrohr

Strahlung kann man weder sehen noch riechen. Das Zählrohr macht aus jedem einzelnen Teilchen einen Stromimpuls — hörbar als kurzes Knacken.

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Erklärung — Ein Gerät, das zählt statt zu sehen

Das Problemα-, β- und γ-Strahlung sind unsichtbar, geruchlos, geschmacklos. Ein Stein, der strahlt, sieht genauso aus wie einer, der nicht strahlt. Kein Sinn meldet sie.
Die IdeeStrahlung ionisiert Atome — und Ionen leiten Strom. Ein Rohr voll Gas, das normalerweise nicht leitet, wird für einen Augenblick leitend, sobald ein Teilchen hineinfliegt: 1 Teilchen = 1 Stromimpuls = 1 Knacken.

Das Gerät heißt Geiger-Müller-Zählrohr.

  • Name:Nach den Entwicklern Hans Geiger und Walther Müller.
  • Anzeige:Jedes Teilchen erzeugt ein einzelnes Knacken.
  • Deutung:Je schneller die Knackser folgen, desto mehr Strahlung trifft das Rohr.

Vom Teilchen zum Knacken

Das Zählrohr in drei Sätzen
1 Teilchen = 1 Stromimpuls = 1 Knacken
Aufbau

Gasgefülltes Metallrohr (−), in der Mitte ein dünner Draht (+), dazwischen einige hundert Volt. Ohne Strahlung fließt kein Strom.

Auslöser

Ein Teilchen ionisiert ein Gas-Atom. Das freie Elektron rast zum Draht und löst eine Elektronenlawine aus.

Ergebnis

Die Lawine ist ein messbarer Stromimpuls: Zähler +1, Lautsprecher knackt. Danach ist das Rohr wieder zählbereit.

Aufbau (Schnitt) − + U ≈ 500 V Metallgehäuse = Kathode (−) Draht = Anode (+) Argon-Gas Fenster (dünne Folie) Gitter Strahlung
Fünf Schritte, wenn ein Teilchen eintritt
1 EintrittDurch Gitter und dünnes Fenster ins Rohr — dünn, weil sonst schon α-Strahlung steckenbliebe.
2 IonisationEin Elektron wird aus einem Argon-Atom geschlagen: Atom +, Elektron −.
3 WanderungIon (+) → Gehäuse (−), Elektron (−) → Draht (+).
4 LawineDie hohe Spannung beschleunigt das Elektron so stark, dass es weitere Atome ionisiert — Kettenreaktion, Stromimpuls.
5 ZählenZähler +1, Knacken. Die Ionen holen sich am Gehäuse ein Elektron zurück → Gas neutral, Rohr bereit.
Warum die Lawine entscheidend istEin einziges Elektron ergäbe einen viel zu schwachen Strom. Erst die Lawine macht daraus einen Impuls, den man messen kann — das Zählrohr ist ein Verstärker für ein einzelnes Teilchen.
Was das Gerät anzeigtNicht das Teilchen, sondern die Zahl der Impulse, meist umgerechnet auf die Messzeit: die Impulsrate. Sie ist nicht die Aktivität des Präparats — dazu mehr in 1.4.3.
Impulsrate am Zählrohr
\( n \;=\; \dfrac{\text{Anzahl der Impulse}}{\text{Messzeit}} \)
Einheit

[n] = 1 Impuls pro Sekunde.

Beispiel

900 Impulse in 60 s → n = 15 Impulse/s.

Blick in das aufgeschnittene Rohr: außen die Kathode, in der Mitte der Draht, links das Fenster, rechts Zähler und Lautsprecher. Fünf Schritte führen vom eintretenden Teilchen zum gezählten Impuls — bei zu niedriger Spannung bleibt die Lawine aus.

Zählrohr-Simulator

Strahlung Gitter Fenster (dünne Folie) Metallgehäuse = Kathode (−) Draht = Anode (+) + − Impulse 0 Knack! Zähler und Lautsprecher
  1. 1 EintrittStrahlung tritt durch das Fenster ein und trifft die Gas-Atome (Argon).
  2. 2 IonisationEin Elektron wird herausgeschlagen: Atom positiv, Elektron negativ.
  3. 3 WanderungDie positiven Ionen wandern zum Gehäuse, die Elektronen zum Draht.
  4. 4 LawineDie hohe Spannung beschleunigt die Elektronen — Kettenreaktion, Stromimpuls.
  5. 5 ZählenImpuls gemessen, Zähler +1, Knacken. Die Ionen werden am Gehäuse wieder neutral.
700 V

Bei 250 V findet die Ionisation statt, aber ohne Lawine bleibt der Strom zu klein — das Teilchen war da, gezählt wird es nicht. Erst ab etwa 400 V erzeugt jedes Teilchen genau einen Impuls.

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Hinweise

Hinweis

Strom, nicht Strahlung

Gemessen wird der Strom, nicht die Strahlung. Das Gerät merkt nur, dass das Gas kurz leitfähig war.

Hinweis

Lawine kommt vom Gas

Die Strahlung schlägt nur das erste Elektron heraus. Alle weiteren erzeugt die hohe Spannung.

Hinweis

Elektronen vs. Ionen

Elektronen wandern zum Draht (+), Ionen zum Gehäuse (−). Wer das vertauscht, verdreht Schritt 3 und 5.

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