Das Geiger-Müller-Zählrohr

Radioaktive Strahlung ist unsichtbar, unhörbar und unfühlbar. Das Geiger-Müller-Zählrohr macht einzelne Teilchen trotzdem zählbar: Jedes ionisierende Teilchen zündet im Rohr eine Elektronenlawine, also einen Stromstoß, ein Knacken. Damit werden vier Dinge messbar: ob etwas strahlt (Nachweis), wie stark (Zählrate), was ohnehin immer da ist (Nullrate) und wie der Zufall streut (Zählstatistik).

Das Zählrohr ist der Schlüssel zum gesamten Kernphysik-Kapitel. Jede spätere Messung (Abstand, Abschirmung, Halbwertszeit) steht auf diesem Gerät und auf zwei Einsichten, die hier zuerst kommen: Es gibt eine allgegenwärtige natürliche Strahlung, die man abziehen muss. Und Einzelereignisse sind echter Zufall, dem nur die Statistik Gesetze abringt.

Hans Geiger entwickelte den Urtyp 1913 bei Rutherford, dessen Streuversuch er noch per Auge am Leuchtschirm auszählte, nächtelang. 1928 machte Walther Müller daraus das robuste Rohr, das bis heute in jedem Strahlenschutz-Messgerät steckt. Kaum ein Laborgerät von 1928 ist so unverändert im Einsatz.

Nimm das Zählrohr in Betrieb, höre den Untergrund, untersuche den Aufbau (Fenster, Rohr, Hochspannung) und kläre die Funktionskette vom Teilchen zum Knack.

Das Nachweisproblem: Ein einzelnes Alphateilchen trägt zwar für Teilchenverhältnisse viel Energie, absolut gesehen aber winzig wenig. Kein Amperemeter und kein Thermometer könnte ein Einzelteilchen bemerken. Der Ausweg heißt Verstärkung durch das Ereignis selbst. Das Teilchen schlägt aus Gasatomen Elektronen heraus (Ionisation), und eine Hochspannung von einigen hundert Volt zwischen Rohrwand und Mitteldraht beschleunigt diese Elektronen so stark, dass jedes von ihnen weitere Atome ionisiert. So entsteht eine Lawine aus Millionen Elektronen, und die ist messbar. Der Preis: Die Lawine ist immer gleich groß, egal was sie ausgelöst hat. Das Rohr sagt „ein Treffer“, aber nie „welcher“ und nie „wie energiereich“.

Betriebsspannung nach Geräteangabe einstellen (Plateau-Bereich). Das dünne Glimmerfenster niemals berühren: Es muss so dünn sein, damit auch Alphateilchen hineinfinden.

Rohrquerschnitt: Metallrohr (Minuspol), Mitteldraht (Pluspol), Füllgas, Glimmerfenster; Lawinen-Kaskade vom Teilcheneintritt zum Draht gezeichnet.

Aufbau: Geiger-Müller-Zählrohr (Fensterrohr) mit Zählgerät und Lautsprecher, Stoppuhr; Proben: Kaliumchlorid (Kalidünger/Diätsalz), alter Thorium-Glühstrumpf, Uranglasur-Scherbe (Lehrmittel), Kaliumarmes Vergleichssalz (NaCl).

Gerät einschalten, eine Minute nur zuhören und die Knacks beschreiben (Rhythmus? Muster?); Aufbau am Gerät identifizieren; Funktionskette als Flussdiagramm notieren: Teilchen → Ionisation → Lawine → Stromstoß → Zähler/Knack.

Drei Beobachtungen, drei Einsichten. Erstens: Es knackt ganz ohne Probe. Wir leben in einem ständigen, dünnen Teilchenregen aus kosmischer Strahlung und natürlicher Radioaktivität von Boden und Baustoffen; die Nullraten-Variante wird ihn vermessen. Zweitens: Es gibt keinen Rhythmus. Radioaktiver Zerfall ist echter Zufall, kein Ereignis kündigt sich an, keines erinnert sich ans vorige. Die Statistik-Variante macht daraus trotzdem ein Gesetz. Drittens: Alle Knackgeräusche sind gleich laut. Die Lawine löscht jede Information über das auslösende Teilchen. Das Zählrohr ist ein perfekter Zähler und ein bewusst schlechter Analysator; für die Frage „welche Strahlungsart?“ braucht es Tricks von außen (Abschirmungs-Experiment).

Die Verstärkungsidee ist einen zweiten Blick wert: Ein einzelnes Teilchen macht sich durch die Lawinenbildung selbst millionenfach lauter. Dasselbe Prinzip, ein Ereignis löst eine Kaskade aus, steckt im Photomultiplier und in jedem Funken. Einzelquanten-Nachweis geht nur über Selbstverstärkung.

Das Zählrohr macht Einzelteilchen über selbstverstärkende Ionisationslawinen zählbar: gleich laut für jeden Treffer, völlig unregelmäßig im Takt und schon ohne Probe aktiv. Untergrund, Zufall und das reine Zählen sind die drei Lektionen des ersten Einschaltens.

Beim Kennenlernen sind die Fehler Verständnisfallen: