Die Lage vor Viktor Hess

3.3.2   Messgeräte

Ohne sich von Anfang an recht darüber im Klaren zu sein oder es zu bezwecken, entwickelten Julius Elster und Hans Geitel die ersten Strahlungsmessgeräte. Eigentlich waren die beiden nur daran interessiert, die seltsame und unerwartete Leitfähigkeit, die sie in der Luft der Atmosphäre entdeckt hatten, aufzuklären. Dazu entwickelten sie ein Messgerät, das die Fähigkeit besaß, die Leitfähigkeit der Luft zu messen. Im Prinzip war es ein geladener Körper, den sie aufstellten, dessen elektrische Ladung sich im Lauf der Zeit verflüchtigte, indem sie von der Luft abgeleitet wurde. Da diese Leitfähigkeit der Luft aber zum größten Teil von der natürlichen Radioaktivität verursacht war, indem die radioaktive Strahlung die Luft ionisierte und so freie Ladungsträger für den Ladungstransport zur Verfügung stellte, die es ohne Radioaktivität nicht gegeben hätte, war das aber eine genial einfache und effiziente Methode, die Radioaktivität selbst zu messen. [3]

So fanden Julius Elster und Hans Geitel auch sehr schnell heraus, dass die Entladung eines elektrisch geladenen Körpers sehr viel schneller vonstatten geht, wenn radioaktive Präparate in die Nähe dieses Körpers gebracht werden. Man entdeckte, dass die Entladungszeit in sehr guter Genauigkeit von der Höhe der Aktivität des radioaktiven Präparates abhing. Darum ging man bald dazu über, nicht mehr die Luftionisation mit Hilfe der Radioaktivität zu untersuchen, sondern umgekehrt die Radioaktivität mit Hilfe der Ionisation zu erforschen, die sie in der Luft bewirkt.

Die Wissenschafter hatten erkannt, dass unter kontrollierten Umständen die radiogene Leitfähigkeit der Luft und besonderer Gase sehr genaue Rückschlüsse auf die Anwesenheit, die Stärke, sowie weitere Eigenschaften wie die Energie der Radioaktivität zulässt. Wie aber ist es denn möglich, dass man aus so einfachen und wenig differenzierten Informationen wie aus einem Spannungsverlust pro Zeiteinheit, den man von einer Ionisationskammer erhält, wie sie Theodor Wulf und Viktor Hess in größerem Maßstab benutzten, oder aus einer Anzahl von irgendwelchen Ereignissen, die man von einem Geiger-Müller-Zählrohr erhält, auf die Art, die Intensität und die Energie einer radioaktiven Quelle schließen kann?

Eine Antwort auf diese spannende und in diesem Zusammenhang wichtige Frage soll in aller Kürze und der notwendigen Tiefe in diesem Kapitel gegeben werden. Zunächst hatte man um 1900 die Radioaktivität entdeckt, ein Phänomen, das, weil es sehr spannend und sehr neu war, von einer großen Zahl an Wissenschaftern der ganzen Welt auf verschiedensten Gebieten begeistert aufgenommen wurde. Weil sich sehr viele der ganz großen Wissenschafter jener Zeit dieses Themas annahmen (unter anderen Marie Curie und Ernest Rutherford), wurden auf dem Gebiet auch sehr schnell sehr große Fortschritte erzielt, und die Vorstellung, die Kenntnis, die der Mensch von seiner Welt hatte, wurde revolutioniert!

Das Ziel, das sich die Strahlenforscher also steckten, war, radioaktive Strahlung nachzuweisen und zu messen. Da radioaktive Strahlung aber mit unseren Sinnen nicht direkt wahrnehmbar ist, war man dabei ganz und gar auf geeignete Messgeräte angewiesen. Kein Wunder also, dass über Jahrzehnte und Jahrtausende hinweg keiner etwas von ihrer steten Präsenz ahnte. Wenn man die radioaktiven Strahlen jetzt aber doch dingfest machen will, so muss man sich an ihre Fersen heften und es verstehen, die Spuren zu lesen, die sie in ihren meist kurzen aber ereignisreichen Leben hinterlassen. Wie diese Spuren genau aussehen, das hängt stark davon ab, welche Wechselwirkungen die Strahlung mit der Materie, die sie durchdringt, eingeht, also wie Strahlung und Medium interagieren. Und hier kommen die Eigenschaften der verschiedenen Strahlungstypen ins Spiel, die sich stark voneinander unterscheiden können.

Radioaktive Strahlung setzt sich immer aus Photonen (elektromagnetische Strahlung) oder aus fundamentalen Bestandteilen der Materie zusammen, die sich mitunter mit recht hoher Energie versehen durch den Raum bewegen. Das können Elementarteilchen sein, wie das Elektron und das Positron, oder Nukleonen (als Nukleus bezeichnet man den Atomkern; Nukleonen sind Bestandteile des Atomkerns) wie das Proton und das Neutron, oder viel schwerere Teilchen wie der Atomkern des Edelgases Helium (Alphateilchen) und noch größere Atomkerne. Oder es handelt sich eben um Quanten elektromagnetischer Strahlung, wie sie in der Gammastrahlung (γ-Strahlung) vorkommen.

Ein ganz wesentliches Kriterium zur Unterscheidung der Wechselwirkungen, die eine bestimmte Art der Strahlung eingehen kann, ist, ob sie aus elektrisch geladenen oder elektrisch neutralen Teilchen besteht:

Je nach Entstehungsart der Strahlung wird sie aus verschiedenen der oben angeführten Komponenten zusammengesetzt sein. Üblicherweise ist Strahlung ein Zerfallsprodukt, wenn ein Atomkern eine spontane Umwandlung durchmacht und sich dabei meist in einen Atomkern eines anderen Elementes verwandelt. Die Richtung des Zerfalls ist dabei dadurch vorgegeben, dass der Produktkern stets leichter sein muss, als der Ausgangskern. Die Masse des Produktkerns ist stets geringer als die des Ausgangkerns.

Diesen Vorgang bezeichnet man als Radioaktiven Zerfall (eigentlich ein Atomkernzerfall). Die beim Zerfall freiwerdende Energie berechnet sich mit Hilfe der berühmten Einsteinschen Masse-Energie Beziehung aus dem Produkt der Massendifferenz und dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit:

Je nach den genauen Umständen dieses Zerfalls unterscheidet man hauptsächlich unter den drei verschiedenen Zerfallsarten α-Zerfall, β-Zerfall und die spontane Kernspaltung. Dabei werden verschiedene Formen radioaktiver Strahlung emittiert:

• α-Strahlung: schwere Atomkerne leiden im allgemeinen unter ihrer großen Masse. Sie sind so groß geworden, dass sie keine stabile Form mehr annehmen können. Sie haben sich weit von ihrem energetischen Gleichgewicht entfernt, das ihren Bestand sichern würde. Von Zeit zu Zeit kommt es dann vor, dass ein kleiner Teil der Nukleonen in Form eines Heliumkernes den Verband verlässt. Diese Form der Strahlung nennt man α-Strahlung, den emittierten Heliumkern das α-Teilchen. α-Teilchen sind doppelt positiv geladen und bestehen aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Die beim Kernzerfall frei werdende Energie wird an das α-Teilchen übergeben. Da die Energie beim Zerfall eines bestimmten Atomkerns immer gleich ist, haben auch alle α-Teilchen dieses Atomkerns die gleiche Energie. Wir erhalten eine monoenergetische Strahlung, das bedeutet, dass alle Strahlungsteilchen im Energiespektrum an einem Punkt zu finden sind:
  

  Abbildung 3-7 Energiespektrum der α-Teilchen

  Energiespektrum der α-Teilchen des Zerfalls von 226Ra-Kernen (Radium) in den Grundzustand von 222Rn-Kernen.

• β-Strahlung: Atomkerne bestehen aus Protonen und Neutronen, wobei die Kerne nach einem speziellen Gleichgewicht in der Anzahl der beiden Bestandteile streben. Für schwere Atomkerne (z.B. Uran) wird die Protonenzahl bei weitem durch die Anzahl der Neutronen übertroffen, welche unter anderem die wichtige Aufgabe haben, durch die sogenannte Kernkraft (die starke Wechselwirkung) die Abstoßung der Protonen untereinander auszugleichen, um zu verhindern, dass die Protonen in einer riesigen Coulombexplosion das ganze Atom in die Luft jagen. Jedoch führt ein Zuviel an Neutronen ebenso dazu, dass sich der Kern von einem energetischen Gleichgewicht entfernt; daher wird der Kern seinen Neutronenüberschuss einfach dadurch abbauen, indem er einzelne Neutronen in Protonen umwandelt!
  
  n bezeichnet das Neutron, das im Kern zu einer Überzahl der Neutronen beigetragen hatte. Das elektrisch neutrale Neutron zerfällt in ein positives Proton (p), ein negatives Elektron (e^-) und in ein Elektron-Antineutrino (). Dieses Elektron ist es auch, das den Kern als β-Strahlung verlässt. Das Elektron-Antineutrino verlässt den Kern ebenfalls. Es hat aber die bemerkenswerte Eigenschaft, mit seiner Umwelt in einem derartig reduzierten Maße wechselzuwirken, dass man es lange Zeit nicht einmal gefunden hat. Auf die meisten Anwendungen der Radioaktivität und vor allem auf das Wirken von Viktor Hess ist es also ohne Einfluss. Die beim Kernzerfall frei werdende Energie wird zwischen dem Elektron und dem Elektron-Antineutrino aufgeteilt, und zwar mehr oder weniger zufällig, sodass die Elektronen der β-Strahlung sich untereinander in der Energie unterscheiden. β-Strahlung ist also nicht monoenergetisch wie die α-Strahlung. Die meisten Elektronen bekommen eine Energie mit auf dem Weg, die einem drittel der Energie entspricht, die beim Kernübergang frei wird:
  

  Abbildung 3-8 Das Energiespektrum der β-Strahlung beim Zerfall von 32P

  Das radioaktive 32P (Phosphor) Isotop zerfällt mit einer Halbwertszeit von 14.3 Tagen nach 32S (Schwefel): 32P → 32S + e- +  . Man erkennt ein Maximum der Häufigkeit bei etwa einem Drittel der Übergangsenergie.

  Diese eigentümliche Energieverteilung kommt, wie man heute weiß, dadurch zustande, dass die Gesamtenergie, die im Kernzerfall frei wird, zwischen Elektron und Elektron-Antineutrino aufgeteilt wird. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts allerdings gab dieses Energiespektrum den Physikern zu denken. Man konnte die Energie bestimmen, die beim Kernübergang frei wurde, indem man die Energie der β-Elektronen und eventuell nachfolgender γ-Quanten bestimmte. Die Energie der β-Elektronen aber schwankte, wie aus obigem Diagramm ersichtlich ist, in einem so weiten Bereich, dass man unmöglich durch die Summen der Strahlungsenergien zu einer konstanten Übergangsenergie für den Kern kommen konnte, was aber der Energiesatz, einer der ganz fundamentalen Sätze der Physik, verlangen würde. Manche dachten schon daran, den Energiesatz für ein makroskopisch-statistisches Phänomen und daher für atomare Größenordnungen als ungültig zu erklären. Da trat Wolfgang Pauli, ein österreichischer Physiker, auf den Plan, der im Jahre 1930 die Misere zum Gefallen aller lösen konnte. Er musste dafür zunächst ein neues Teilchen postulieren, das glücklicherweise später auch gefunden wurde: das Neutrino. Es zeichnet sich dadurch aus, dass es, wenn überhaupt, eine sehr kleine Masse aufweist, elektrisch neutral ist, und mit seiner Umgebung in so geringem Maße wechselwirkt, dass es ganze Welten zu durchdringen vermag, als flöge es durch ein Vakuum. Mit einem solchen Neutrino muss sich das Elektron, das im β-Zerfall entsteht, die Übergangsenergie teilen, und so kommt ein Energiespektrum zustande, das dann auch dem Energiesatz nicht mehr widerspricht.
• β⁺-Strahlung: Es kann auch geschehen, dass in Kernen mit einem Mangel an Neutronen sich die Protonen in Neutronen umwandeln:
  
  In diesem Fall verlässt anstelle des Elektrons in der β^--Strahlung ein Positron den Atomkern. Dieses Positron ist in diesem Zusammenhang eine völlig neue Art von Teilchen, denn es gehört der Antimaterie an! In einem späteren Kapitel wird es noch einmal erwähnt werden, denn es wurde in der Kosmischen Strahlung entdeckt.

  Das Positron ist das Antiteilchen zum Elektron. Vom Betrag her hat es die gleiche Ladung wie das Elektron, vom Vorzeichen her ist ihre Ladungen aber genau entgegengesetzt. Außerdem hat es die gleiche Masse wie das Elektron und damit auch die gleiche Ruheenergie. Das bedeutet, wenn man nach Einsteins Gleichung E = m·c² ein Positron oder ein Elektron aus Energie erzeugen will, so benötigt man je 511 keV, und da man sie immer nur im Paar erzeugen kann (in der sogenannten Paarerzeugung), so braucht man mindestens 2·511 keV = 1.022 MeV Energie, um ein Anti-Elektron zu erzeugen. Diese Energie muss im radioaktiven Zerfall freigesetzt werden, damit diese Zerfallsart möglich ist. Wenn die Massendifferenz von Ausgangskern und Produktkern kleiner als benötigt ist, dann kann ein β⁺-Zerfall nicht stattfinden. Trotzdem kann es zu einem radioaktiven Zerfall kommen, wenn der Atomkern ein Elektron aus der Hülle des Atoms einfängt. Man spricht dann von Electron Capture (Elektroneneinfang).

  Was die Wechselwirkung mit Materie betrifft, haben die Positronen sehr ähnliche Eigenschaften wie die Elektronen, da sie ja die gleiche Masse und die (entgegengesetzt) gleiche Ladung besitzen. Ein wesentlicher Unterschied ist aber der folgende: wenn ein Positron beim Durchwandern der Materie an das Ende seines Ionisationspfades kommt, dann sucht es sich ein Elektron, von denen gibt es in dichter Materie immer viele, und gemeinsam wandeln sie sich dann in Energie um, meist in zwei ?-Quanten von je 511 keV Energie (Annihilation: Paarvernichtung. Dabei wird die Annihilationsenergie frei). Ein wesentlicher Unterschied zwischen der Wirkung von Elektronen und Positronen in Materie ist also dieser, dass Elektronen eine rein ionisierende Wirkung haben, während Positronen noch dazu führen, dass ein Photonenpaar ausgestrahlt wird, das man mit dem geeigneten Detektor auch noch registrieren kann.

• γ-Strahlung: γ-Strahlung ist nicht auf eine eigene Art des Kernzerfalles zurückzuführen, sondern tritt immer dann auf, wenn ein Atomkern aus einem angeregten Zustand in den Grundzustand übergeht. Die dabei frei werdende Energie wird in Form eines Photons abgegeben. Die Energiedifferenz zwischen zwei Energiezuständen des Kernes ist wohldefiniert, und so weisen die Photonen, die bei solchen Energieübergängen auftreten, immer die gleiche Energie auf. Die γ-Strahlung tritt als treuer Begleiter der α- und β-Strahlung in allen jenen Übergängen auf, wo der Kern nicht in den Grundzustand des Tochterkernes, sondern in einen angeregten Zustand zerfällt. Da der Kern aus dem angeregten Zustand nicht direkt in den Grundzustand übergehen muss, kann die Anregungsenergie auch auf mehrere γ-Quanten aufgeteilt werden, die den verschiedenen Übergängen des Kernes bis in den Grundzustand entsprechen.
• Die Spontane Spaltung tritt nur bei sehr schweren Kernen auf, die so instabil geworden sind, dass sie spontan in zwei Bruchstücke zerfallen können. Dabei wird die sehr hohe Energie von etwa 200 MeV freigesetzt. Außerdem entstehen einige Neutronen mit Energien im Bereich von jeweils einem MeV.
• Neutronen: Neutronen treten auch auf, wo ganze Kerne zertrümmert werden, zum Beispiel bei der Wechselwirkung der Kosmischen Strahlung mit den Atomen der Atmosphäre. Neutronen sind elektrisch neutral und wechselwirken daher völlig anders mit Materie, als es das Proton oder das Elektron tun würden. Da aber Neutronen keine entscheidende Rolle in der Entdeckung der Kosmischen Strahlung spielten, soll auf ihre Wirkung hier nicht näher eingegegangen werden.

Das Ziel des Physikers ist es nun, zu messen, was messbar ist, und messbar zu machen, was noch nicht messbar ist. Um dieses neue Phänomen der Radioaktivität messbar zu machen, brauchte es neuer Mess-Instrumente, die man Detektoren nannte. Ein Detektor besteht erstens aus einem Medium, in dem die radioaktive Strahlung durch Wechselwirkungen Spuren hinterlassen soll, indem sie es durchdringt, und zweitens aus einem Mechanismus, der die Spuren der Strahlen liest und auswertet. Das Medium ist in den frühen Fällen einfach die Luft der Atmosphäre gewesen, in dem die radioaktiven Partikel ihre Ionisationsspuren gezogen haben. Später verwendete man besondere Gase, um die Messeffizienz zu verbessern. Noch später, als man von den Messgeräten, die am Prinzip der Ionisationskammer fußten, abkam, verwendete man ganz andere Stoffe wie Halbleiter, photographische Platten oder Kunststoff. Wie weiter oben angedeutet hängt die Funktionsweise des Detektors vornehmlich davon ab, wie die Strahlung, die man messen will, mit Materie interagiert, das heißt, welche Art von Spuren die Strahlung im Medium des Detektors hinterlässt. Beobachtet man geladene Teilchen (wie Heliumkerne in der α-Strahlung oder Elektronen in der β^--Strahlung), so stellt man fest, dass sie hauptsächlich über die Coulombkraft mit dem Medium interagieren. Ein geladenes Strahlungsteilchen sieht auf seinem Weg durch die Materie vor allem die Hüllenelektronen der Atome, die ihm in die Quere kommen. Die Wahrscheinlichkeit, dass es mit einem dieser Elektronen interagiert, ist ziemlich hoch und in erster Linie vom Quadrat des Abstandes zwischen ihm und den Elektronen abhängig.

Elektrisch neutrale Strahlungsteilchen (wie das Neutron) hingegen spüren keine Coulombwechselwirkung und sind daher auch für die vielen Elektronen, die überall im Medium eines Detektors herumschwirren, nicht empfänglich. Neutronen interagieren nur mit Atomkernen, die um sehr vieles kleiner sind, als die Elektronenhüllen der Atome. Daher ist auch die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung im Medium geringer, und somit gestaltet sich der Nachweis oder die Messung eines Neutrons auch sehr viel schwieriger, als eines Protons der gleichen Größe.

γ-Quanten interagieren hingegen gerne mit dem Coulombfeld in einem Atom, wo sie Photoelektronen herauslösen oder sich selbst in ein Elektron-Positron-Paar verwandeln können, oder sie streuen Hüllenelektronen in Vorgängen, die als Compton-Streuung bekannt sind. Die Wahrscheinlichkeit für diese einzelnen Vorgänge sind von der Energie des Photons der γ-Strahlung abhängig. Wenn keiner dieser Vorfälle eintritt, so passiert das Photon den Detektor unbemerkt und es bleibt kein Hinweis darauf zurück, dass das Photon jemals da war, während ein geladenes Teilchen immer eine Ionisationsspur zurücklässt, die man sehr gut messen kann. Es ist also ziemlich naheliegend, dass die ersten Menschen, die zufällig über die Radioaktivität stolperten, eben solche Teilchen nachwiesen, die sich einer baldigen Entdeckung förmlich zudrängten, indem sie die Elektrometer entluden, die die Forscher der Elektrizität der Atmosphäre gerade erst aufgeladen hatten.

Daher wollen wir zunächst in diesem Kapitel auch vor allem Messgeräte diskutieren, die geeignet sind, solche radioaktive Strahlung nachzuweisen, die aus geladenen Teilchen wie die leichten Elektronen (e^-), Protonen (p) und Heliumkernen (α-Teilchen) besteht. Leichte und schwere Teilchen unterscheiden sich ziemlich stark im äußeren Verhalten beim Durchgang durch das Detektormedium, während die Physik der Wechselwirkungen genau die gleiche ist.

Betrachten wir zunächst das Schicksal schwerer Teilchen wie Heliumkerne: Der Kern hat eine ganz bestimmte Anfangsenergie E₀ bei seinem Start in die Selbständigkeit von seinem Mutterkern mitbekommen. Dieser Energie entspricht eine Geschwindigkeit, mit der er sich von zu Hause entfernt und in den Detektor eintritt. Hier findet dieses α-Teilchen jetzt Legionen von Elektronen vor, die alle negativ geladen sind, während es selbst positiv geladen ist. Im rasenden Flug an den Elektronen vorbei reicht die Zeit gerade mal für einen kurzen Energietransfer aus. Entsprechend der Coulombkraft fühlt das Elektron einen kurzen, anziehenden Ruck. Manchmal reicht dieser Ruck gerade dazu, das Elektron in ein höheres Energieniveau zu bringen, von wo es bald an seinen Ausgangsort zurückkehrt und dabei ein Röntgenphoton aussendet. Immer wieder wird ein Elektron aber auch ganz aus dem heimatlichen Atomverband herausgerissen, wodurch ein Ionenpaar entsteht, bestehend aus einem freien Elektron mit negativer Ladung und einem Atomrumpf, dem jetzt ein Elektron fehlt und der daher eine positive Ladung aufweist. Auf seinem recht geradlinigen Weg durchs Medium passiert das dem Heliumkern dauernd, und so hinterlässt er wie eine Pflugschar eine breite Furche von umgegrabenen Atomen, eine deutliche Spur für einen Kernphysiker. Diese Ionenspur kann in der Ionisationskammer die Basis für ein Signal sein, in der Wilson’schen Nebelkammer hingegen kann man die Spur und damit den Weg des Heliumkernes selbst durch Kondensation von Wassertröpfchen entlang der Ionisationsspur sichtbar machen!

Jedes Mal, wenn der Heliumkern etwas von seiner Energie an ein Elektron abgibt, wird er ein wenig langsamer. Je langsamer das α-Teilchen wird, umso mehr Zeit bleibt ihm, um mit einzelnen Elektronen wechselzuwirken, und umso mehr Energie gibt es noch zusätzlich ab. Daher wird der Energieübertrag vom Heliumkern an das Medium gegen Ende der Reichweite des α-Teilchens immer größer, die Ionisierungsdichte wächst immer mehr an, bis das Teilchen, seiner gesamten Energie beraubt, plötzlich liegen bleibt und sich nicht mehr weiter bewegt.

Abbildung 3-9 Die Braggkurve (nach dem Nobelpreisträger William Bragg)

Der Energieverlust eines Alpha-Teilchens beim Durchqueren von Materie ist von der Energie des Teilchens abhängig. Am Anfang ist der Energietransfer noch sehr gering, während er kurz vor dem Ende der Reichweite ein Maximum erreicht. Praktische Anwendung findet die Braggkurve z.B. in der Medizin, wenn man tiefliegendes Tumorgewebe durch Teilchenbeschuss zerstören will, ohne darüber liegendes gesundes Gewebe beeinträchtigen zu wollen.

Die sogenannte Braggkurve zeigt den Verlauf der Energieabgabe vom geladenen Teilchen an das Medium in Abhängigkeit von der Eindringtiefe in das Medium. Da wie weiter oben angeführt der Energietransfer umso höher ist, je langsamer das Teilchen in der Materie unterwegs ist und je mehr Zeit daher für eine Wechselwirkung zu Verfügung steht, ist der Energieverlust pro Länge da am höchsten, wo das Teilchen fast am Ende seiner Reichweite angekommen ist, also schon fast zum Stillstand gekommen ist. Die Fläche unter der Braggkurve entspricht der übertragenen Energie. Man sieht deutlich, dass ein Großteil der Strahlungsenergie entlang einer verglichen zur Gesamtreichweite kurzen Strecke abgegeben wird. α-Strahlung weist die Eigenschaft auf, im jeweiligen Medium eine sehr gut bestimmbare Reichweite zu haben. Die Heliumkerne der α-Strahlung interagieren hauptsächlich mit den Elektronen der Atomhüllen. Da die Heliumkerne 8000 mal schwerer sind, als die Elektronen, auf die sie treffen, werden sie von den Elektronen nur etwas abgebremst, können aber kaum von ihrer Richtung abgelenkt werden, ähnlich wie Nilpferde, die durch einen Vogelschwarm laufen.

Da alle Heliumkerne im Durchschnitt gleich viele Stöße durchmachen und dabei im gleichen Maße an Energie verlieren, haben sie alle annähernd die gleiche Reichweite. Da es sich beim Abbremsen um einen statistischen Prozess handelt, ist die Reichweite nicht exakt die gleiche für alle Alphateilchen, man spricht von einem Range Straggling.

Abbildung 3-10 Die Reichweite von Alpha-Teilchen in Materie

Über einen großen Bereich ist die Anzahl der Alpha-Teilchen konstant, Das bleibt auch so bis kurz vor Ende der Reichweite. Innerhalb einer kurzen Strecke kommen dann alle Alpha-Teilchen zu stehen. Als Reichweite R wird die Distanz bezeichnet, nach der die Anzahl der Alpha-Teilchen auf die Hälfte abgesunken ist.

Da die Reichweite sehr gut definiert ist und vor allem von der Energie der α-Strahlung abhängt, wurden früher Reichweitenmessungen zur Energiebestimmung durchgeführt. Seitdem es aber bessere Detektoren gibt, die ein Signal erzeugen, das proportional der Strahlungsenergie ist, sind solche indirekten Messungen nicht mehr notwendig.

Ganz anders verhält es sich mit Elektronen, bei denen man nicht genau sagen kann, wie weit sie in einem Medium kommen werden. Dafür gibt es mehrere Gründe. Zum ersten haben die Elektronen eines bestimmten β-Zerfalls keine wohldefinierte Energie sondern einen Wert innerhalb eines bestimmten Spektrums. Da die Reichweite im Medium vor allem mit der Energie korreliert ist, ergibt sich schon aus diesem Umstand ein ganzes Spektrum an zu erwartenden Reichweiten im Medium. Zum zweiten haben die Elektronen der β-Strahlung die gleiche Masse wie die Hüllenelektronen des durchwanderten Mediums. Daher können bei jedem Stoß zwischen den Hüllen- und Strahlungselektronen große Streuungswinkel auftreten. Das bedeutet, dass der Weg durch das Medium im allgemeinen recht verwinkelt aussieht. Obwohl alle Wege, die von Elektronen gleicher Energie zurückgelegt werden, in etwa gleich lang sein werden, sind sie in Richtung und Form sehr unterschiedlich. Die Elektronen werden an den verschiedensten Orten zur Ruhe kommen, und von einer wohldefinierten Reichweite im Medium kann keine Rede mehr sein.

Abbildung 3-11 Die Reichweite von α- und β-Strahlung im Vergleich

In der sehr schematischen Abbildung ist links eine α-Quelle dargestellt, die nach rechts hin offen von einer Abschirmung umgeben ist. Dahin entweichen α-Teilchen in den mit Materie erfüllten Außenraum bis in eine bestimmte Distanz. Rechts ist ein β-Strahler dargestellt, sowie die Wege, die Elektronen in einem Medium zurücklegen könnten. Die farbigen Punkte markieren die Stellen, an denen jeweils das Strahlenteilchen zum Stehen kam. Man kann erkennen, dass Alphastrahlung eine gut definierte Reichweite aufweist, während man bei Betastrahlung nicht von einer wohldefinierten Reichweite sprechen kann.

Die Voraussetzung, dass man jetzt eine radioaktive Strahlung tatsächlich messen oder nachweisen kann, ist, dass das Teilchen im Detektor einer Wechselwirkung unterläuft, die zu nachweisbaren Spuren führt. Wenn ein Heliumkern mit einer Energie von 1 MeV in einen Strahlendetektor gelangt und dort seine gesamte Energie abgibt, so wird er etwa 30.000 Ionenpaare (freie Elektronen und zurückgebliebene Atomrümpfe) erzeugen. Die Zeit, die dafür benötigt wird, ist sehr kurz. Vom ersten Eindringen des Teilchens in die aktive Schicht eines Strahlendetektors bis zum Entstehen der letzten Ladungsträger vergehen im Mittel Nanosekunden (10^-9 Sekunden, ein milliardster Teil einer Sekunde) in Gasen oder Pikosekunden (10^-12 Sekunden, eine tausendstel Nanosekunde) in Festkörpern. Das ist gehörig schnell, und bei den Reaktionszeiten, die auch heutige Detektoren aufweisen, kann man sagen, dass die gesamte Energie einer radioaktiven Strahlung augenblicklich an den Detektor abgegeben wird.

Das Ergebnis der Wechselwirkung ist in den meisten Fällen eine elektrische Ladung, die im Medium des Detektors gebildet wird. Diese Ladung wird dann mit Hilfe eines elektrischen Feldes gesammelt, das heißt, vom Entstehungsort abtransportiert und zu den Sammelelektroden hingeführt. Zwischen den freien Elektronen und den positiv geladenen Atomrümpfen besteht eine starke Anziehung. Sich selbst überlassen werden die Ionen dazu neigen, wieder elektrisch neutrale Verbindungen einzugehen. Dann wäre die radiogene Ionisationsladung wieder ausgeglichen und für einen Messvorgang verloren. Das gilt es also zu verhindern. [5,6]