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.

Zähle ohne jede Probe zehnmal je eine Minute, berechne die mittlere Nullrate und benenne ihre Quellen.

Warum zehnmal eine Minute statt einmal zehn Minuten? Für den Mittelwert wäre beides gleichwertig, die Gesamtimpulszahl ist dieselbe. Aber die zehn Einzelwerte liefern gratis die Streuung mit, das Rohmaterial der Statistik-Variante. Und sie decken Störungen auf: Ein einzelner Ausreißer (jemand trug eine Probe vorbei) fällt in der Zehnerreihe auf, im Zehn-Minuten-Block verschwindet er dagegen unsichtbar im Summenwert.

Woher der Untergrund kommt: etwa je zur Hälfte von oben und von unten. Von oben kommt kosmische Strahlung, Sekundärteilchen aus Höhenstrahlungs-Schauern, auf Meereshöhe rund 100 Teilchen pro Quadratmeter und Sekunde. Von unten und aus den Wänden kommt die Umgebungsradioaktivität: K-40 und die Uran- und Thorium-Zerfallsreihen in Beton, Fliesen und Boden, dazu Radon aus dem Erdreich. Die Nullrate ist damit ein Fingerabdruck des Messorts. Im Keller (Radon) und im Flugzeug (kosmische Strahlung) sähe sie anders aus.

Alle Proben aus dem Raum bzw. in die Abschirmbox; Messplatz während der Reihe nicht verändern; Intervalle lückenlos protokollieren.

Zählrohr allein auf leerem Tisch; Pfeile von oben (Kosmik) und von unten/seitlich (Gestein, Wände, Radon) als Untergrundquellen.

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

Zehn Intervalle à 60 s, je Impulszahl notieren; Summe, Mittelwert; größten und kleinsten Wert markieren (für Variante 4).

In Summe 171 Impulse in 10 Minuten. Kein Intervall gleicht dem anderen, die Spannweite reicht von 13 bis 22.

Die Nullrate des Platzes:

Dieser Wert ist ab jetzt der Sockel jeder Messung an diesem Platz. Eine Probe, die „30 pro Minute“ zeigt, liefert selbst nur $30 - 17{,}1 \approx 13$ Impulse; ohne den Abzug würde ihre Aktivität mehr als verdoppelt. Und eine „Probe“ mit 18 pro Minute ist vermutlich gar keine, denn die Spannweite der Leermessungen reicht bis 22! Der Untergrund definiert also die Nachweisgrenze: Was in seiner Streuung versinkt, ist nicht nachgewiesen.

Die Streuung ist kein Messfehler: Die Werte 13 bis 22 entstanden am unveränderten Aufbau. Kein Gerätefehler, keine Schlamperei, der Zerfall selbst würfelt. Wie er dabei Regeln einhält, vermisst die letzte Variante. Hier genügt die praktische Regel: Einzelne Minutenwerte des Untergrunds schwanken um mehrere Impulse. Wer die Nullrate abzieht, muss deshalb mit dem Mittelwert arbeiten, nie mit einer Einzelminute.

Die Nullrate des Messplatzes beträgt 17,1 Impulse pro Minute (aus 171 Impulsen in 10 Minuten, Spannweite 13 bis 22): Sie ist ortsgebunden, muss von jeder Probenmessung abgezogen werden und definiert über ihre Streuung die Nachweisgrenze.

Bei der Referenzmessung zählt Konstanz über alles: