 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-u-238-atomic-energy-lab.html |
Ta amerykańska zabawka z 1950 roku powraca niczym bumerang w internetowych zestawieniach najbardziej niebezpiecznych zabawek wszechczasów i budzi najwięcej emocji, szczególnie przy obecnej radiofobii. Stanowi też świetną pożywkę dla różnego rodzaju sensacyjnych artykułów, jak choćby poniższy:
 |
| https://www.tmz.com/2024/12/05/uranium-most-dangerous-toy-kit-for-sale-auction/ |
Od lektury innych [LINK] dosłownie krwawią oczy (i mózg).
Atomic Energy Laboratory jest przedstawiane niekiedy w tak doborowym towarzystwie, jak:
- rzutki wbijające się dzieciom w głowy (Lawn Darts)
- duszące miniaturowe hamaki z EZ Sales
- lalki odgryzające palce (Cabbage Patch Dolls)
- latające tancerki powodujące rany cięte (Sky Dancers)
- pistolety na kapiszony wyskakujące z klamry od paska (Masterson Deringer Belt Gun)
- zestawy do odlewania figurek z toksycznej masy plastycznej (Creepy Crawlers)
- armatka na kulki z flagą Skonfederowanych Stanów Ameryki (Johnny Reb Cannon)
- kosmiczna wyrzutnia rakiet, które mogły zostać połknięte (Battlestar Galactica Missile Launcher)
- miniaturowe motocykle z zacinającą się manetką gazu (Fisher-Price Power Wheels Motorcycle)
Powyższe zestawienie pojawiło się w popkulturowym czasopiśmie Radar Online w 2006 roku [LINK], a wspomniany U-238 Atomic Energii Laboratory zajął drugie (!) miejsce, między Lawn Darts a hamakami z EZ Sales. Samo zestawienie, dla większej obiektywności, pomijało zabawki, które ewidentnie mogły zrobić krzywdę, jak wiatrówki, proce czy gwiazdki do rzucania. Niektóre pozycje są nieoczywiste, jak choćby Battlestar Galactica Missile Launcher, którego kształt zachęcał dzieci do brania do ust (!), co mogło skutkować zadławieniem przez wystrzelony pocisk. Ale to tak na marginesie, wróćmy do naszego zestawu.
U-238 Atomic Energy Laboratory został wprowadzony na rynek przez firmę A. C. Gilbert, która już miała w ofercie zestawy chemiczne, mikroskopowe [LINK] oraz "małego konstruktora" nazwanego "Erector". Właściciel firmy, Alfred Carlton Gilbert, uważał, że zabawki powinny ukierunkowywać zainteresowania dzieci i budować "silny amerykański charakter". Opracowanie "atomowego laboratorium" miało zachęcać do poznania tajników energii jądrowej, ukazywać jej pokojowe zastosowanie i osłabiać lęk, jaki zaczynał się budzić w społeczeństwie z powodu użycia broni jądrowej w Hiroszimie i Nagasaki oraz późniejszych prób nuklearnych.
 |
| https://rarehistoricalphotos.com/gilbert-u-238-atomic-energy-lab-kit-for-kids/ |
Cena w 1950 r. wynosiła 50 dolarów, czyli ok. 675 obecnych dolarów, była więc dość wysoka i najprawdopodobniej przyczyniła się do niskiego popytu. Kilka sztuk zakupił Uniwersytet Columbia. Alfred Gilbert jako przyczynę niepowodzenia uznał zbytnie skomplikowanie zestawu, nadającego się bardziej dla uczniów szkół średnich i studentów niż dla dzieci.
Zestaw pozostawał w katalogu firmy do 1951 r., a w następnym roku został zastąpiony przez No. 11 Gilbert Chemistry Atomic Energy Set. Nowy zestaw był dużo większy, jednak fizyka jądrowa stanowiła zaledwie mały fragment (spintaryskop, ruda uranu i podręcznik), reszta dotyczyła chemii. W latach 1952-1953 jeszcze reklamowano w gazetach stary zestaw, ale były to wyprzedaże zapasów magazynowych po obniżonych cenach.
 |
| https://rarehistoricalphotos.com/gilbert-u-238-atomic-energy-lab-kit-for-kids/ |
Dziś takie zestawy, bardzo rzadkie na rynku kolekcjonerskim, osiągają zawrotne ceny.
Warto tu jeszcze wspomnieć o poprzedniku zestawu Gilberta, wypuszczonym w 1947 r. na rynek przez jego konkurenta, firmę Porter Chemical Company. Był to głównie rozbudowany zestaw chemiczny, ale z istotnym komponentem jądrowym. Występował w dwóch wersjach:
- Chemcraft chemistry kit No. 10 - cena 10 dolarów, w zestawie ruda uranu, spintaryskop z radem i książeczką “The Story of Atomic Energy”
- Chemcraft chemistry kit No. 25 - cena 25 dolarów, w zestawie dodatkowo "radioactive screen", który mógł służyć m.in. do badania wpływu promieniowania na materiały światłoczułe:
 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/porter-atomic-energy-kit.html |
Tyle tytułem wstępu, wróćmy do naszego tematu, czyli U-238 Atomic Energy Laboratory.
Komplet zawierał następujące elementy:
- dozymetr z zasilaniem bateryjnym
- komora mgłowa z wbudowanym źródłem alfa (polon-210, t 1/2=138 dni)
- elektroskop
- spintaryskop
- minerały uranu: torbernit, uraninit, autunit i karnotyt, z których tylko autunit nie był zaplombowany, ponieważ nie wykazywał tendencji do kruszenia się (przynajmniej nie w takim stopniu jak trzy pozostałe)
- źródła: beta-alfa (Pb-210, t 1/2=22,3 roku), beta (prawdopodobnie Ru-106, t 1/2=374 dni), gamma (Zn-65, t 1/2=244 dni)
- kulki do budowania modeli cząstek
- instrukcja obsługi (Gilbert Atomic Energy Manual)
- komiks "Dagwood splits the atom"
- podręcznik "Prospecting for uranium" (1949) wydany przez Atomic Energy Commision i US Geological Survey
- katalog zabawek firmy Gilbert
Przyjrzyjmy się niektórym elementom zestawu:
- Dozymetr, a właściwie indykator promieniowania. Bardzo prosta konstrukcja ze słuchawką i lampką neonową do indykacji impulsów. Zasilanie z jednej baterii R-20 (D), obok słoiczek z rudą uranu:
 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-geiger-counter.html |
Licznik był sprzedawany także osobno w okresie boomu na poszukiwanie rudy uranu, tzw. uranowej gorączki:
 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-geiger-counter.html |
- Źródła promieniowania typu zamkniętego emitowały promieniowanie alfa, beta i gamma - pierwsze do obserwowania za pomocą spintaryskopu, drugie i trzecie do testów przenikliwości i zasady odwrotnych kwadratów:
 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-u-238-atomic-energy-lab.html |
Jak widać, źródła te mają dosyć krótki czas połowicznego rozpadu, co według instrukcji spowoduje pogorszenie ich właściwości w ciągu 1-50 lat (!). W rzeczywistości całkowity zanik izotopu wystąpi:
- Pb-210, t 1/2=22,3 roku czyli po 223 latach,
- beta (Ru-106, t 1/2=374 dni - po 10 latach
- gamma Zn-65, t 1/2=244 dni - po 7 latach
- Po-210, t 1/2=138 dni - po 3,7 latach
 |
| https://www.orau.org/health-physics-museum/collection/toys/gilbert-u-238-atomic-energy-lab.html |
Sądząc z krótkiego czasu obecności tych zestawów na rynku, żaden użytkownik nie zdążył wypełnić druku tego zamówienia. Do chwili obecnej przetrwała tylko aktywność ołowiu-210, pozostałe izotopy całkowicie uległy rozpadowi (przyjmuje się 10 okresów połowicznego rozpadu).
- Komora mgłowa Wilsona była omawiana przeze mnie na blogu kilka lat temu, więc tutaj tylko wspomnę, że pozwala ona śledzić tory cząstek naładowanych i kwantów gamma, które w atmosferze pary przesyconej zostawiają ślady, przypominające smugi kondensacyjne samolotów:
.jpg) |
| Fot. Science History Institute, licencja https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gilbert_cloud_chamber_pp_2006.069.035.jpg |
 |
| https://digital.sciencehistory.org/works/x07gxrp/viewer/bmwxeei |
Źródłem promieniowania był polon-210 naniesiony na cienki pionowy drucik:
 |
| https://digital.sciencehistory.org/works/x07gxrp/viewer/as169pe |
Cząstki alfa emitowane przez polon powodowały kondensację par alkoholu, dając w efekcie rozchodzące się promieniście ślady. Szczegóły instrukcji obsługi komory przedstawię w drugiej części wpisu.
- Kolejne elementy to spintaryskop i elektroskop, niestety nie znalazłem osobnych fotografii, umieszczam więc zdjęcie całego zestawu:
 |
| https://rarehistoricalphotos.com/gilbert-u-238-atomic-energy-lab-kit-for-kids/ |
W dalszej części przedstawię przetłumaczony oryginalny podręcznik użytkownika. Z uwagi na dużą objętość tekstu, podzielę go na trzy części. W pierwszej umieszczę rozdział opisujący eksperymenty z dozymetrem, w drugiej komorę mgłową, w trzeciej spintaryskop i inne elementy. Tekst jest przetłumaczony automatycznie, z niewielkimi moimi korektami.
SEKCJA 1
BADANIA Z LICZNIKIEM GEIGERA
Jedną z pierwszych rzeczy, która Cię zaintryguje po otwarciu Laboratorium Energii Atomowej, jest licznik Geigera, znajdujący się w prawym górnym rogu pudełka.
Aby uruchomić licznik Geigera, wykonaj następujące kroki. Najpierw zdejmij okrągłą zaślepkę z górnej części licznika, aby zainstalować baterię. Następnie włóż jedną z baterii latarki w to miejsce, upewniając się, że biegun dodatni baterii jest skierowany w dół. (Biegun dodatni można rozpoznać po małym okrągłym trzpieniu pośrodku). Teraz poszukaj włącznika/wyłącznika znajdującego się na górze obudowy. Przełącz licznik Geigera w pozycję „włączony” i poczekaj, aż się nagrzeje. Jest gotowy do użycia.
Możesz używać licznika Geigera na dwa sposoby: (a) Możesz zliczać liczbę błysków w lampie neonowej, która jest zamontowana na równi z gumową uszczelką w pokrywie pudełka. (b) Możesz słuchać kliknięć w słuchawkach.
W "Laboratorium Energii Atomowej" znajdziesz kilka małych plastikowych źródeł promieniowania. Jedno z nich jest oznaczone jako „Radioactive Standard-Gamma Source”. Wyjmij to źródło z laboratorium i zbliż je do licznika Geigera. Zauważysz wtedy, że liczba błysków lub kliknięć będzie gwałtownie rosnąć, aż trudno będzie je policzyć. Wyjęcie źródła spowoduje spowolnienie dźwięku kliknięcia lub migania światła. Później omówimy szczegółowo, czym są kliknięcia i błyski oraz co oznaczają. Na razie powiemy tylko, że każde kliknięcie lub błysk odpowiada wykryciu promienia radioaktywnego przechodzącego przez licznik Geigera.
Jedną z rzeczy, które możesz natychmiast zrobić za pomocą licznika Geigera, jest wykrycie ukrytego źródła promieniowania. Niech ktoś z rodziny ukryje źródło promieniowania gamma, gdy jesteś w innym pokoju. Następnie, używając fretki, zbadaj pomieszczenie. Wkrótce, zauważając zwiększoną liczbę błysków lub trzasków, będziesz w stanie zlokalizować ukryte źródło.
Jeśli posiadasz zegarek naręczny, kieszonkowy lub inny luminescencyjny materiał, spróbuj zbliżyć go do licznika Geigera. Przekonasz się, że licznik Geigera wykryje te obiekty. W rzeczywistości wiele przedmiotów codziennego użytku jest radioaktywnych. Niektóre z nich mają rzeczywiście bardzo dużą intensywność.
Na temat radioaktywności krąży tak wiele nieprawdziwych informacji, że zatrzymujemy się tutaj, aby zapewnić Ciebie i Twoich rodziców, że dostarczone Wam źródła radioaktywne nie są w żaden sposób niebezpieczne. Zostały one starannie zaprojektowane przez czołowych naukowców w kraju, aby były pouczające i nieszkodliwe. Zapewniamy, że codzienny kontakt ze źródłami radioaktywnymi dostarczonymi wraz z Laboratorium Energii Atomowej nie wyrządzi Ci żadnej szkody.
Rysunek 1-1 przedstawia wnętrze licznika Geigera. Zauważysz długą, smukłą rurkę, która jest podtrzymywana przez dwie miedziane elektrody. Ta rurka to…
Urządzenie, które wykrywa promienie penetrujące i jest znane jako licznik Geigera-Muellera . Teraz, gdy masz już widok licznika Geigera od wewnątrz, możemy wyjaśnić, dlaczego urządzenie brzęczy, gdy przełącznik jest włączony.
Chociaż licznik Geigera-Muellera wymaga prawie tysiąca woltów do prawidłowego działania, naszym jedynym źródłem zasilania jest bateria latarki o napięciu 1,5 V. Oto sposób, w jaki uzyskujemy niezbędne wysokie napięcie z naszego źródła niskiego napięcia. Po pierwsze, mamy wibrator. To proste urządzenie rozdziela prąd stały z suchego ogniwa i przekształca go w prąd pulsujący. Zauważysz, że na wibratorze nawinięte są dwie cewki, które razem tworzą transformator. Gdy prąd pulsujący wpływa do transformatora, jest on wzmacniany z niskiego napięcia do wysokiego, wystarczającego do zasilania licznika Geigera-Muellera.
Każdy, kto używa latarki bez przerwy, wie, że bateria się zużywa. Podobnie licznik Geigera przestanie działać, jeśli będzie używany nieprzerwanie przez kilka godzin. Nie oznacza to, że urządzenie się przepaliło. Oznacza to po prostu, że należy wymienić baterię latarki. Każda podobna bateria do latarki będzie odpowiednia. Tak jak latarka będzie działać tygodniami, jeśli będzie używana tylko przez krótki czas, tak samo licznik Geigera będzie działał długo na jednej baterii, jeśli będzie używany tylko przez krótki czas każdego dnia. Należy wyjąć baterię latarki z licznika, jeśli nie będzie używany przez dłuższy czas. Zapobiegnie to wyciekowi baterii w liczniku i zapewni dłuższą żywotność baterii. Firma AC Gilbert wyprodukowała tysiące liczników Geigera i chociaż dołożyła wszelkich starań, aby każdy licznik Geigera dotarł do Ciebie w stanie roboczym i pozostał w takim stanie, docenia fakt, że…
...spośród tysięcy tych wrażliwych instrumentów niektóre po pewnym czasie przestaną działać. Oto, co należy zrobić, jeśli instrument nie działa prawidłowo.
1) Upewnij się, że przełącznik „On” jest ustawiony w pozycji „On”.
2) Upewnij się, że bateria nie jest zużyta. W razie wątpliwości wymień ją na zapasową lub nową.
Jeśli po wykonaniu tych czynności kontrolnych nie słychać buczenia wibratora, istnieje prawdopodobieństwo, że wibrator uległ uszkodzeniu lub awarii. Może się jednak zdarzyć, że wibrator będzie działał prawidłowo, ale urządzenie nie będzie reagowało na radioaktywne źródło promieniowania gamma. Upewnij się, że używasz właśnie tego źródła. Jeśli neonówka w ogóle nie miga, licznik wymaga naprawy. Jeśli neonówka miga niemal bez przerwy przy braku źródła promieniowania, również wymaga naprawy. Nie próbuj potrząsać pudełkiem ani w żaden inny sposób naprawiać licznika Geigera. Zwróć go do firmy AC Gilbert Company zgodnie z instrukcjami podanymi w załączniku.
POMIAR PROMIENIOWANIA ZA POMOCĄ LICZNIKA GEIGERA
Choć ciekawie jest bawić się licznikiem Geigera, szukając ukrytych źródeł promieniowania i prezentując go znajomym, o wiele ciekawsze jest wykonywanie rzeczywistych pomiarów, niczym naukowiec. Aby to zrobić, potrzebujemy zegarka z ruchomą wskazówką sekundową. Zacznijmy od sprawdzenia, jak zachowuje się nasz licznik Geigera, gdy w pobliżu nie ma materiałów radioaktywnych. Częstotliwość zliczania bez źródeł promieniowania nazywana jest naturalnym tłem urządzenia. Bardzo ważne jest, aby znać wartość tła i okresowo ją sprawdzać, aby upewnić się, że urządzenie działa prawidłowo. Rejestruj liczbę zliczeń w każdym 15-sekundowym okresie przez pięć minut. Twoje dane powinny wyglądać mniej więcej tak, jak przedstawiono w poniższej tabeli:
5
| 0-15 sekund | 15-30 sekund | 30-45 sekund | 46-50 sekund | Całkowita liczba sekund | |
| 1. minuta | 3 | 4 | 2 | 3 | 12 |
| 2. minuta | 5 | 4 | 3 | 5 | 17 |
| 3. minuta | 4 | 4 | 3 | 3 | 14 |
| 4. minuta | 3 | 3 | 5 | 3 | 14 |
| 5. minuta | 5 | 3 | 5 | 4 | 17 |
| Razem 74 |
Aby uzyskać średnie tempo zliczania, należy podzielić całkowitą liczbę 74 przez przedział czasu, uzyskując w ten sposób około 15 zliczeń na minutę. Należy pamiętać, że w ciągu jednej minuty tempo zliczania może wahać się od 17 do 12. To jasno pokazuje, że aby uzyskać wiarygodną średnią, musimy zliczać przez wystarczająco długi czas, aby wyeliminować wahania występujące w krótkich przedziałach czasu.
Możesz przeprowadzić ciekawy eksperyment, po prostu zapisując na kartce papieru dokładny czas (odczyt ze stopera lub wskazówki sekundowej) każdego zliczania. Zbierz dane dla pięciu półminutowych interwałów. Uzyskane dane powinny wyglądać mniej więcej tak, jak pokazano poniżej:
| 1. minuta | 2. minuta | 3. minuta | 4. minuta | 5. minuta |
| 5 | 3 | 2 | 4 | 1 |
| 9 | 7 | 5 | 8 | 7 |
| 13 | 11 | 11 | 18 | 14 |
| 19 | 18 | 13 | 24 | 21 |
| 24 | 23 | 21 | 29 | 27 |
| 30 | 25 | 23 | ||
| 30 | 27 | |||
| 30 |
LOSOWE WYSTĘPOWANIE LICZBY
Należy pamiętać, że wystąpienie kliknięcia jest całkowicie losowe; nie da się zaobserwować żadnej regularności co do czasu, w którym następuje kliknięcie.
GRAFICZNA REPREZENTACJA LOSOWEGO LICZENIA
Losowy charakter zliczania można również łatwo zauważyć na wykresie. Oto, co należy zrobić. Na kartce papieru milimetrowego zaznacz jednostkę, która ma reprezentować minutę i podziel tę minutę na mniejsze jednostki, które mają reprezentować sekundy. Teraz, używając zegarka, zmierz czas wystąpienia zliczeń licznika Geigera. Gdy każde zliczenie nastąpi, narysuj na wykresie linię odpowiadającą czasowi jego wystąpienia. Po upływie minuty zaznacz kolejny zestaw jednostek i powtórz powyższą procedurę. Po wykonaniu tej czynności cztery lub pięć razy, porównując wykresy, zauważysz, że wzór zliczeń na Twoich wykresach nie jest taki sam. To jest to, co nazywamy „losowym zliczaniem”.
Częstotliwość zliczania tła licznika Geigera powinna pozostać niemal stała, nawet jeśli pomiary wykonujesz w różne dni. Należy jednak upewnić się, że zawsze usuwasz źródła radioaktywne z otoczenia licznika podczas wykonywania tego pomiaru. Wskazane jest również, aby za każdym razem przeprowadzać eksperyment w tym samym miejscu. Wynika to z faktu, że wszystko wokół nas jest radioaktywne i przemieszczając się w różne miejsca, prawdopodobnie napotkamy różne poziomy radioaktywności. Nawet ludzkie ciało jest lekko radioaktywne. Powietrze, którym oddychamy, zawiera niewielkie ilości materiału radioaktywnego. Ziemia i materiały budowlane zawierają znacznie większe ilości pierwiastków radioaktywnych. Niezależnie od tego, gdzie się znajdujemy, nigdy nie możemy być całkowicie wolni od niewielkiej ilości radioaktywności. Tę resztkową częstotliwość zliczania nazywamy radioaktywnym tłem.
ŹRÓDŁA RADIOAKTYWNE
Być może użytkownik Laboratorium Energii Atomowej z niecierpliwością czeka na zbadanie właściwości źródeł radioaktywnych oznaczonych alfa, beta i gamma. Najpierw należy zbliżyć źródło oznaczone alfa do licznika. Należy pamiętać, że nie ma ono żadnego zauważalnego wpływu na licznik. Nie powinno to jednak przeszkadzać użytkownikowi, ponieważ źródło jest w pełni sprawne. Oznacza to, że rodzaj promieniowania emitowanego przez to źródło znacznie różni się od promieniowania gamma. Nazywamy je promieniowaniem alfa. Promienie alfa są łatwo absorbowane przez dowolną substancję stałą, a nawet w powietrzu, i nie są w stanie przeniknąć przez bęben licznika Geigera.
Źródło oznaczone jako beta ma wpływ na licznik Geigera. Aby je zaobserwować, źródło musi zostać umieszczone blisko licznika Geigera. Oczywiście promień emitowany z tego źródła jest bardziej przenikliwy niż promień alfa, ale nadal nie dorównuje silnemu promieniowaniu gamma. Promienie emitowane przez źródło beta nazywamy promieniami beta. Później dowiemy się, że promienie beta to po prostu elektrony o dużej prędkości. Na razie jednak skupimy się wyłącznie na promieniach gamma.
Można się świetnie bawić, grając w chowanego ze źródłem promieniowania gamma. Oczywiście, do gry potrzeba co najmniej dwóch osób. Osoba wybrana do odnalezienia źródła promieniowania gamma otrzymuje licznik Geigera i zostaje poproszona o poczekanie na zewnątrz pokoju, podczas gdy pozostali ukrywają źródło. Po ukryciu źródła, osoba z zewnątrz zostaje zaproszona do środka i poproszona o jego odnalezienie. Nagroda może zostać przyznana osobie, która znajdzie źródło w najkrótszym czasie.
JAK DALEKO MOŻNA WYKRYĆ ŹRÓDŁO?
Zobaczmy, jak daleko od źródła możemy się oddalić za pomocą licznika Geigera i nadal wykryć jego obecność poprzez zwiększoną częstotliwość zliczania. Aby wykonać ten eksperyment, umieść źródło na otwartej przestrzeni, powiedzmy w centrum dużego pokoju. Następnie połóż taśmę mierniczą w linii prostej od źródła. Zaczynając w odległości sześciu stóp od źródła, zmierz częstotliwość zliczania. Odkryjesz, że w tej odległości częstotliwość zliczania jest zbliżona do częstotliwości zliczania tła. Teraz przesuń źródło o stopę bliżej licznika Geigera. Rurka licznika Geigera wewnątrz licznika Geigera znajduje się prawie w całości pod napisem „Model U239” i jest to doskonałe miejsce do pomiaru. Możemy wtedy mówić o dokładnej odległości między źródłem a licznikiem. Przesuwaj źródło krokami o stopę lub pół stopy bliżej licznika Geigera. Zapisuj liczbę zliczeń na minutę dla każdej odległości. Powinieneś być w stanie wykonywać pomiary do sześciu cali od licznika Geigera.
W tym momencie tempo liczenia będzie bardzo wysokie. Liczba może przekroczyć 200 zliczeń na minutę. (Liczby na minutę są często skracane do odczytu cpm). Musisz użyć sztuczki, aby liczyć tak szybko. Na jednym z arkuszy danych narysuj duży krzyż, aby móc zapisywać dane w czterech grupach. W każdej ćwiartce lub sekcji krzyża narysuj kropkę ołówkiem dla wszystkich zliczeń występujących w odstępie 15 sekund. W ten sposób nie musisz kontynuować liczenia, ale po prostu stukać ołówkiem w papier za każdym razem, gdy nastąpi kliknięcie lub mignięcie. Dzieląc dane na cztery 15-sekundowe odstępy, możesz sprawdzić spójność swojego liczenia. W wolnym czasie możesz policzyć liczbę kropek w każdej ćwiartce i z odrobiną praktyki będziesz w stanie liczyć 200 cpm z niezłą dokładnością.
| Dystans | Szybkość liczenia (CPM) |
| 8 cali | 236 |
| 1 stopa. | 104 |
| 18" | 43 |
| 2 stopy. | 23 |
| 3 stopy. | 10 |
| Ponad 3 stopy. | Blisko liczby tła |
Ponieważ częstotliwość zliczania faktycznie wyraża liczbę promieni gamma w danym punkcie, możemy nazwać ją intensywnością. W ten sposób uzyskaliśmy dane eksperymentalne dotyczące intensywności promieniowania gamma (liczba promieni na minutę) z małego źródła w różnych odległościach od tego źródła.
Zebraliśmy dane dla różnych odległości. Teraz naniesiemy te dane na wykres, aby móc odczytać intensywność lub tempo zliczania dla dowolnej odległości. W tym celu bierzemy kartkę papieru milimetrowego, najlepiej z dużymi kwadratami. Zaznaczamy na skali poziomej odległości w stopach, które reprezentują odległość dzielącą źródło od licznika w naszym eksperymencie. Następnie na skali pionowej zaznaczamy odpowiednie jednostki dla częstości zliczania.
Jeśli nie znasz techniki kreślenia punktów na papierze milimetrowym i nie jest dla Ciebie jasne, jak to zrobić, możesz zwrócić się o pomoc do nauczyciela przedmiotów ścisłych.
Aby nanieść nasze dane na wykres, bierzemy dany zestaw odczytów, powiedzmy 43 cpm przy 18 calach. Przesuwamy ołówkiem wzdłuż skali poziomej, aż znajdziemy 18 cali (1,5 stopy). Tutaj zaznaczamy punkt. Następnie prowadzimy linię ołówka w górę (równolegle do skali pionowej), zatrzymując się w punkcie naprzeciwko 43 na skali pionowej. Podobnie wyznaczamy punkty dla pozostałych zestawów danych, aż wszystkie dane zostaną naniesione na wykres. Teraz możemy ręcznie naszkicować gładką krzywą łączącą wszystkie te punkty.
Teraz możesz oszacować natężenie promieniowania gamma w dowolnym punkcie od sześciu do trzydziestu sześciu cali. Robi się to w następujący sposób. Z losowej odległości na podziałce poziomej narysuj linię w górę, aż przetnie ona krzywą. Od tego punktu narysuj linię równoległą do podziałki poziomej i pionową. W tym punkcie na podziałce możesz odczytać liczbę zliczeń na minutę, która jest przybliżoną liczbą zliczeń dla losowej odległości. W ten sposób odczytuje się natężenie 15 cpm z odległości 2,5 stopy. Rysunek 1-2 ilustruje zależność między odległością od licznika Geigera do źródła promieniowania gamma a liczbą zliczeń na minutę (cpm).
Związek pomiędzy intensywnością i odległością.
Najbardziej oczywistym faktem, którego można się nauczyć z krzywej na Rysunku 1-2, lub krzywej, którą narysowałeś, jest to, że natężenie (cpm) promieniowania gamma spada bardzo szybko wraz ze wzrostem odległości od źródła. Przyjrzyjmy się bliżej dokładnemu sposobowi, w jaki to natężenie spada i sprawdźmy, czy jest w tym jakiś sens lub uzasadnienie. Natężenie w odległości jednej stopy wynosi około 100. Jeśli podwoimy odległość, okaże się, że w odległości dwóch stóp natężenie spada do około 1/4 swojej wartości dla jednej stopy. Zatem podwajając odległość, zmniejszamy natężenie o współczynnik 4, czyli, innymi słowy, liczba zliczeń wynosi 1/4 liczby, gdy odległość jest wątpliwa. Jest tylko około 1/9 liczby zliczeń, gdy odległość jest potrojona. Przyjrzyj się swojej krzywej lub Rysunkowi 1-4, a zobaczysz, że to prawda. Zawsze, gdy wielkość zachowuje się w ten sposób, mówi się, że podlega prawu odwrotnych kwadratów.
Rysunek 1-3. ZROZUMIENIE PRAWA ODWROTNEGO KWADRATU
Prawo odwrotnych kwadratów sprawdza się nie tylko w przypadku promieniowania gamma. Dotyczy ono również promieniowania emitowanego przez zwykłe światło. Można się o tym przekonać, używając światłomierza, takiego jak światłomierz z bezpośrednim odczytem używany przez fotografów, i mierząc natężenie światła w różnych odległościach od żarówki. Powinno to potwierdzić Twoje doświadczenia z promieniowaniem gamma.
Patrząc na rysunek 1-3, można nieco wyraźniej zobaczyć, jak działa prawo odwrotnych kwadratów. Mamy źródło zlokalizowane w punkcie S. W pewnej dowolnej odległości, którą nazwiemy X, mierzymy liczbę zliczeń, czyli natężenie promieniowania. Załóżmy, że 100 promieni przechodzi przez obszar w odległości X od źródła. Patrząc teraz na kolejny obszar, który jest 2X, czyli dwa razy dalej od źródła niż pierwszy obszar, widzimy, że ma on obszar 4 razy większy niż pierwszy obszar.
Ponieważ 100 promieni nadal promieniuje w tym samym kierunku, okazuje się, że przechodzą one przez obszar czterokrotnie większy, podczas gdy w każdym małym fragmencie tego obszaru znajduje się tylko 1/4 promieni, co poprzednio. Można zatem wnioskować, że wraz z podwojeniem odległości, natężenie, czyli liczba promieni przechodzących przez tę samą przestrzeń, jest dzielona przez cztery, czyli 1/4. Ta sama sytuacja miałaby miejsce, gdyby odległość została potrojona, z tą różnicą, że wówczas powierzchnia byłaby 3 do kwadratu, czyli 9 razy większa, a natężenie byłoby dzielone przez 9, czyli stanowiłoby 1/9 pierwotnego natężenia.
Więcej o promieniach gamma
Eksperyment, który przeprowadziliśmy z promieniowaniem gamma, może nie dać tych samych danych wszystkim obserwatorom. Aby to sprawdzić, spróbuj wykonać te same pomiary, zmieniając lokalne warunki. Przeprowadź eksperyment najpierw na betonowej podłodze. Następnie ustaw źródło i licznik na dwóch kartonowych pudłach, aby eksperyment przeprowadzić w powietrzu, z dala od ciężkich materiałów, takich jak beton. Zaobserwujesz różnice, które będą zależeć od tego, jakie ciała stałe znajdują się blisko źródła promieniowania gamma i licznika Geigera. Promienie gamma mogą przenikać przez beton i są przez niego również rozpraszane.
Absorbowanie promieni gamma
Do tej pory badaliśmy wpływ odległości od źródła do licznika na częstotliwość zliczania. Teraz zwróćmy uwagę na problem wpływu różnych materiałów na częstotliwość zliczania. Jednym z najpowszechniejszych materiałów, jakie zazwyczaj mamy w domu, jest drewno, więc wykorzystamy je w naszym pierwszym eksperymencie pomiaru absorpcji promieniowania gamma.
Do tego eksperymentu najlepiej będzie wybrać kawałki drewna (jeśli nie masz go pod ręką, możesz użyć książek) o grubości jednego cala i większej niż szerokość i głębokość licznika Geigera. Przygotuj sprzęt zgodnie z rysunkiem 1-4. Najpierw nie umieszczaj między nimi żadnych drewnianych płyt.
Rysunek 1-4.
JAK PRZEPROWADZONO EKSPERYMENT ABSORPCJI PROMIENIOWANIA GAMMA
Rysunek 1-5.
WYKRES PRZEDSTAWIAJĄCY WPŁYW GRUBOŚCI DREWNA NA NATĘŻENIE
Ustaw licznik i źródło, zmierz częstotliwość liczenia i zapisz tę wartość w swoim notatniku, jak pokazano poniżej:
| Grubość drewna | Szybkość liczenia (CPM)* |
| 0 cali | 115 |
| 3 | 86 |
| 4 | 69 |
| 6 | 44 |
| 8 | 35 |
| 10 | 27 |
| 12 | 14 |
* Odległość od licznika do źródła = 12 cali
Następnie włóż jeden kawałek drewna i dokładnie zmierz tempo zliczania. Powtarzaj ten pomiar dla każdego dodawanego kawałka drewna, aż tempo zliczania będzie tak niskie, że będzie prawie takie samo, jak tempo zliczania tła.
Analizując różne częstotliwości zliczania, możemy zauważyć, że intensywność promieniowania gamma gwałtownie spada. Aby podejść do tematu bardziej naukowo, musimy uciec się do graficznej reprezentacji uzyskanych w ten sposób danych.
Rysunek 1-5 pokazuje, jak skonstruować prosty wykres. Skala pozioma reprezentuje grubość drewna użytego jako absorber. Skala pionowa pokazuje tempo zliczania. Tak jak poprzednio, nanosimy każdy zestaw punktów na wykres, pamiętając, że musimy użyć skorygowanego tempa zliczania, czyli zmierzonej liczby zliczeń na minutę pomniejszonej o liczbę zliczeń tła. Po zaznaczeniu ciągu punktów na wykresie, rysujemy przez niego ciągłą linię, jak pokazano na rysunku 1-5.
Możesz zauważyć, że punkty połączone serią linii prostych utworzyłyby dość nierówną krzywą. Wynika to z niepewności pomiaru oraz efektów rozpraszania promieni gamma. Możesz uniknąć tego problemu, rysując na wykresie gładką krzywą, która wydaje się być najbliższa punktom.
Połowa grubości
Mając teraz płynną krzywą, możemy odczytać z wykresu natężenie dla dowolnej grubości drewna lub określić, jaka grubość drewna jest potrzebna do zmniejszenia początkowego natężenia (bez absorbera) o zadaną wartość. Grubość materiału absorbującego, która zmniejsza liczbę zliczeń na minutę o połowę, nazywana jest połową grubości. Przyjrzyj się rysunkowi 1-5, a zauważysz, że liczba zliczeń na minutę zmniejsza się o połowę przy grubości materiału absorbującego wynoszącej około 10,5 cm. Sprawdź utworzony wykres i określ połowiczną grubość materiału użytego jako absorber.
Choć być może nie zdawałeś sobie z tego sprawy podczas eksperymentu z absorpcją, ważne jest, aby źródło i instrument znajdowały się w stałej odległości od siebie. Gdyby eksperyment polegał na umieszczeniu absorbera między licznikiem a źródłem, nie uzyskano by prostej zależności między grubością absorbera a intensywnością. Za każdym razem, gdy dodawano by nowy absorber do „kanapeczki”, względna odległość, a tym samym częstotliwość zliczania, ulegałaby zmianie. Sam rozmiar absorbera ma pewien wpływ na obserwowaną intensywność, ponieważ część promieniowania ulega rozproszeniu, co komplikuje wynik.
Gdy promień gamma przelatuje przez materię, całkowicie ignoruje atomy materii, przez którą przechodzi; to znaczy, aż w końcu zderzy się z pojedynczym atomem. Następnie przekazuje całą swoją energię elektronowi w tym atomie. Następnie elektron zostaje szybko zatrzymany, ponieważ, w przeciwieństwie do promienia gamma, nie ignoruje wpływu otaczających go atomów. Kiedy promień gamma jest emitowany ze źródła gamma, może albo przejść przez ułamek cala w drewnie, albo może przejść przez wszystkie dwanaście cali. Średnio, biorąc pod uwagę zachowanie masy tysięcy promieni gamma, istnieje jednak większe prawdopodobieństwo, że promień gamma zostanie zatrzymany w pierwszych kilku warstwach absorbera.
Rysunek 1-6.
PORÓWNANIE RÓŻNYCH MATERIAŁÓW JAKO ABSORBERÓW. Powyżej przedstawiono połowiczne grubości drewna, wody, aluminium, żelaza i ołowiu. Zatem 3/4 cala żelaza pochłonie tyle samo promieniowania gamma, co 4 cale wody.
Różne rodzaje absorberów
Zobaczmy teraz, jak materiały inne niż drewno działają jako absorbery. Prawdopodobnie najłatwiejszym do zdobycia materiałem jest żelazo, a w niektórych przypadkach aluminium może być łatwo dostępne. Dobrym przykładem są takie przedmioty jak patelnia czy inne przybory kuchenne. Inne dostępne materiały, z którymi można eksperymentować, to cyna, szkło, naczynia, guma, plastik, tkanina, papier, piasek, cegła, ołów, mosiądz, kit i tak dalej.
Używając absorberów z dowolnego materiału, jaki możesz uzyskać, powtórz eksperyment absorpcji. Tak jak poprzednio, nanieś wyniki na wykres. Zauważ, że uzyskano ten sam rodzaj krzywej, co dla drewna, ale wartość połowy grubości dla żelaza lub aluminium jest znacznie mniejsza niż dla drewna. Jeśli masz dostępne arkusze ołowiu, będziesz mógł sprawdzić, że połowa grubości jest nadal mniejsza dla tego ciężkiego pierwiastka. Nasze użycie połowy grubości jest wygodną miarą, za pomocą której możemy porównać absorpcję promieniowania gamma w różnych materiałach. Dzięki temu możemy powiedzieć, że jeden cal drewna jest równoważny jednej dziesiątej cala ołowiu. Innymi słowy, ołów pochłania promieniowanie gamma 10 razy lepiej niż drewno. Teraz, gdybyśmy mieli dostęp do wszystkich różnych wspólnych pierwiastków i moglibyśmy przeprowadzić z nimi eksperymenty, moglibyśmy uzyskać dla nich połowy grubości i dokonać graficznego porównania, jak pokazano na rysunku 1-6.
Fizycy zazwyczaj używają skróconej jednostki do pomiaru energii promieniowania gamma. Jednostka ta nazywa się elektronowolt , a częściej używa się większej jednostki, miliona elektronowoltów. W skrócie oznacza to jeden MEV. Tę jednostkę będziemy stosować, omawiając promieniowanie gamma. Na przykład , nasze źródło promieniowania gamma w Laboratorium Energii Atomowej emituje promieniowanie gamma o energii 1,14 MEV.
Zaletą posiadania wygodnej jednostki do opisu promieniowania gamma jest to, że nie musimy już być tak ogólnikowi, jak na przykład: „W tym eksperymencie używamy miękkiego promieniowania gamma…”. Zamiast tego możemy być precyzyjni i powiedzieć: „Używamy promieniowania gamma o energii 0,35 MeV…”. Im większa wartość MeV promieniowania gamma, tym większa jest jego grubość połówkowa i tym większa jest jego zdolność penetracji. Promienie gamma o energii powyżej jednego MEV są zazwyczaj uważane za promienie wysokoenergetyczne.
RUDY RADIOAKTYWNE
Do laboratorium energii atomowej dołączone są cztery szklane butelki zawierające próbki rudy radioaktywnej. Próbka nr 100 zawiera fragmenty karnotytu pobrane z płaskowyżu Kolorado. Karnotyt ma jasnożółty kolor. Jednak Twoja próbka może mieć szarawy lub brązowawy odcień ze względu na obecność żelaza. Więcej informacji na temat występowania tej rudy znajdziesz w broszurze „Poszukiwanie uranu”.
Aby wykonać przybliżony pomiar radioaktywności próbki, umieść szklaną butelkę obok licznika Geigera, jak najbliżej rurki Geigera. Uzyskana szybkość zliczania będzie zależeć od stężenia radioaktywności w danej próbce. Powinna wynosić od 35 do 100 zliczeń na minutę.
Wykonaj ten sam test, aby określić radioaktywność pozostałych próbek i zanotuj dane w swoim notatniku. Prawdopodobnie okaże się, że karnotyt jest najbardziej aktywny z próbek, a autunit jest drugą pod względem aktywności radioaktywnej. Torbernit i uraninit będą dość słabe i mogą wykazywać jedynie około 50% radioaktywności tła.
Wszystkie te próbki, z wyjątkiem autunitu, zostały zamknięte w butelkach, aby uniemożliwić ich otwarcie. Autunit nie jest zamknięty i można wyjąć jego fragmenty ze słoika. Pozostałe próbki zostały zamknięte, ponieważ mają tendencję do łuszczenia się i kruszenia, a ryzyko rozproszenia radioaktywnej rudy w laboratorium byłoby wysokie. Spowodowałoby to podniesienie poziomu tła. Autunit jest wystarczająco twardy, aby nie kruszył się łatwo i można go dotykać poza pojemnikiem. Zaleca się jednak umieszczenie fragmentów rudy w cienkim papierowym worku, aby drobne fragmenty rudy nie zanieczyściły laboratorium.
Umieść zapakowany autunit obok licznika Geigera i ponownie zapisz szybkość zliczania. Powinieneś zauważyć bardzo wyraźny wzrost zliczania. Twoja szybkość zliczania powinna wzrosnąć około czterokrotnie lub pięciokrotnie. Jak możemy wyjaśnić ten duży wzrost? Prawdą jest, że rozłożyliśmy starą próbkę bardziej, tak aby większa jej część znajdowała się bliżej licznika Geigera. Nie wyjaśniałoby to jednak tak dużego wzrostu. Musimy stwierdzić, że ruda emituje pewien rodzaj promieniowania, które jest absorbowane przez grubą szklaną ściankę naszej butelki na próbkę. Możemy to zweryfikować, wsuwając szklaną płytkę między nasz licznik Geigera a ten autunit i ponownie określając szybkość zliczania. Tym razem okaże się, że spada, co pokazuje, że mieliśmy rację zakładając obecność innego łatwo absorbowalnego promieniowania. Ten rodzaj promieniowania składa się z promieni beta , które są również emitowane przez nasze źródło promieniowania beta.
Przedstawiamy promienie beta
Do tej pory nasze eksperymenty koncentrowały się głównie na promieniowaniu gamma. Celowo powstrzymaliśmy się od wprowadzenia źródła beta, aby nie wprowadzać w błąd poprzez napotykanie wielu nowych cząstek na wczesnym etapie eksperymentu. Teraz opiszemy promieniowanie beta bardzo krótko, pozostawiając bardziej szczegółowe omówienie tematu w następnym rozdziale.
Absorpcja cząstek beta
Najpierw zmierzmy absorpcję cząstek beta w lekkim materiale, takim jak tektura. Weź trochę sztywnej tektury, nie falistej i potnij ją na kilkanaście kawałków na tyle dużych, aby zakryły źródło promieniowania beta. Podeprzyj źródło promieniowania beta, przyklejając je taśmą do małego pudełka z papieru i skieruj je w stronę licznika Geigera, w którym znajduje się rurka licznika Geigera. Umieść licznik Geigera w odległości około 12 cali od źródła. W tej odległości uzyskasz częstotliwość zliczania wynoszącą około 100 lub więcej cpm. Teraz umieszczaj jeden kawałek tektury po drugim między źródłem a licznikiem, dokonując odczytu dla każdego dodanego absorbera. Odkryjesz, że jednocentymetrowa warstwa tektury (nieco większa niż 1/3 cala) pochłania większość promieniowania beta. Dwa razy więcej centymetrów tektury pochłania całkowicie promieniowanie beta. Użyj plastikowej linijki dostarczonej wraz z laboratorium energii atomowej, aby zamienić cale na centymetry.
W ramach kolejnego eksperymentu można zastąpić tekturę cienkimi arkuszami metalu i zauważyć, że cząstki beta są całkowicie zatrzymywane przez zaledwie siedem dziesiątych centymetra aluminium lub trzy dziesiąte centymetra żelaza. Z tego możemy wywnioskować, że nasz licznik Geigera w ogóle nie byłby w stanie wykryć promieniowania beta, gdyby rurka licznika Geigera była umieszczona w ciężkiej stalowej obudowie.
Pracując z licznikiem Geigera i źródłem promieniowania beta, często można zauważyć, że eksperyment da zagadkowy wynik lub że dwa eksperymenty, które powinny dać ten sam wynik, dadzą niespójne dane. Na przykład, jeśli umieścisz źródło promieniowania beta w określonej odległości od licznika Geigera i zawiesisz je w powietrzu, tak aby nic stałego nie znajdowało się w jego pobliżu, możesz zauważyć, że wyniki uzyskane z licznikiem Geigera znacznie różnią się od wyników uzyskanych ze źródłem umieszczonym na blacie stołu lub podpartym drewnem. Co więcej, nawet w powietrzu tor cząstki beta nie jest linią prostą, lecz nieregularną trajektorią. Dlatego podczas pomiarów absorpcji ważne jest, aby rozważyć, gdzie umieścić absorber względem źródła i licznika Geigera. Co więcej, rozmiar absorbera ma znaczenie, ponieważ wpływa on na rozpraszanie cząstek beta.
POSZUKIWANIE URANU
W wyniku rozwoju energetyki atomowej w czasie wojny, pierwiastek uran nabrał ogromnego znaczenia w naszych sprawach narodowych. Uran jest bardzo ciężkim pierwiastkiem metalicznym, ale nie występuje w naturze w postaci metalicznej. Niemniej jednak istnieje ponad 100 minerałów zawierających uran. Są one szeroko rozpowszechnione na powierzchni Ziemi. Istnieje jednak tylko kilka złóż rudy uranu bogatych w uran. Większość wydobytego uranu pochodzi z żył blendy smolistej zlokalizowanych w następujących miejscach: Shinkolobwe w Kongo Belgijskim, Eldorado w Kanadzie i Joachimsthal w Czechach. W tych lokalizacjach, zwłaszcza w Kongo Belgijskim, uran występuje w bardzo bogatych złożach.
Rysunek 1-7. Młody poszukiwać sprawdza radioaktywność skały za pomocą licznika Geigera
Poszukiwacz wyposażony w licznik Geigera może wykorzystać swój instrument jako pomoc w odkrywaniu złóż rudy uranu. Istnieją jednak pewne trudności i nie powinieneś czuć, że możesz pospieszyć się i odkryć nowe złoża tej cennej rudy. Po pierwsze, chociaż uran jest stosunkowo powszechnym pierwiastkiem (w porównaniu choćby z ołowiem pod względem zawartości), zwykle występuje w bardzo małych stężeniach, co utrudnia jego wykrycie. Po drugie, ruda może być przykryta skałą nieradioaktywną, w którym to przypadku radioaktywność samej rudy jest tłumiona przez absorpcję w tej skale. Broszura zatytułowana „Poszukiwanie uranu” dołączona do Laboratorium Energii Atomowej zawiera szczegółowe informacje na temat poszukiwań uranu. Broszura ta jest oficjalną broszurą przygotowaną wspólnie przez Komisję Energii Atomowej i Służbę Geologiczną Stanów Zjednoczonych (USGS). Niezależnie od tego, gdzie się udasz na powierzchni Ziemi, przekonasz się, że Twój licznik Geigera nigdy nie traci stałej częstotliwości zliczania tła. Zasadniczo ta częstotliwość tła nie różni się znacząco w zależności od miejsca, chociaż jeśli staniesz w pobliżu złoża blendy smolistej, częstotliwość wzrośnie. Jeśli nie weźmiemy pod uwagę takiego szczególnego przypadku, wiemy, że tło jest zazwyczaj dość stałe. Musi to być spowodowane promieniowaniem w bezpośrednim otoczeniu licznika.
Załóżmy, że wypiszemy różne źródła promieniowania, które mogą powodować kliknięcia w liczniku Geigera:
1) Wiemy, że radioaktywność w Ziemi bombarduje licznik.
2) Wiemy, że materiały budowlane zawierają niewielką ilość substancji radioaktywnych, które również wpływają na częstotliwość występowania odbić.
3) Wiemy, że materiały zawarte w liczniku Geigera są w niewielkim stopniu radioaktywne i powodują zliczenia.
4) Na koniec wiemy, że w powietrzu i wśród ludzi znajduje się niewielka ilość materiałów radioaktywnych, co może mieć wpływ na szybkość liczenia.
EKRANOWANIE
Aby wyeliminować niektóre z tych źródeł radioaktywności, otoczmy licznik Geigera warstwami ciężkich substancji ze wszystkich stron. Przewód do słuchawek powinien być wyprowadzony z jednej strony materiału ekranującego, aby umożliwić pomiar częstotliwości zliczania. Ołów to idealny materiał do tego eksperymentu, ale ponieważ możesz go nie mieć w domu, możesz zastąpić go innym materiałem, takim jak żelazo lub miedź. Jeśli mieszkasz w mieszkaniu i nie masz pod ręką takich materiałów, możesz przeprowadzić eksperyment w szkolnym laboratorium naukowym. Osłonięcie licznika ze wszystkich stron warstwą ołowiu o grubości około 2,5 cm lub grubszą warstwą materiału o mniejszej gęstości powinno zmniejszyć promieniowanie ze źródeł znajdujących się w pobliżu licznika. Oczywiście nie będzie to stanowiło ochrony przed materiałami radioaktywnymi w samym liczniku, ale możemy łatwo wykazać, używając innego licznika Geigera, że radioaktywność samego urządzenia jest bardzo mała.
Dokonaj dokładnego pomiaru tempa liczenia z założoną osłoną. Licz przez co najmniej 10 minut, aby uzyskać dobrą średnią częstotliwość. Następnie wykonaj podobny pomiar tempa liczenia – bez osłony wokół licznika. Powinieneś uzyskać wyraźny spadek tempa liczenia, gdy…ekranowanie jest na miejscu. Dokładna wartość spadku będzie zależeć od ilości i rodzaju ekranowania, ale generalnie gruba osłona ze wszystkich stron powinna zmniejszyć częstotliwość zliczania o około jedną trzecią.
Skoro udało nam się skutecznie zredukować wpływ promieniowania z otoczenia, zasadne jest pytanie, co rejestruje licznik Geigera, gdy jest ekranowany. Można by podejrzewać, że przyczyną może być radioaktywność w materiale ekranującym, ale z doświadczenia wiemy, że ołów nie jest radioaktywny, więc możemy wyeliminować ten czynnik jako przyczynę. Co zatem pozostaje nam jako przyczyna pozostałych kliknięć licznika Geigera?
Najwyraźniej promieniowanie, które nadal powoduje klikanie licznika Geigera, nawet z bardzo grubymi warstwami ołowiu lub żelaza wokół niego, jest znacznie bardziej przenikliwe niż promienie emitowane przez nasze źródła radioaktywne. Naukowcy, tacy jak Robert A. Millikan i Arthur H. Compton, poświęcili większość swojego życia badaniom tych niezwykle przenikliwych promieni, które nazwiemy promieniami kosmicznymi . Promienie te różnią się swoją naturą od promieni gamma. W rzeczywistości są to cząstki subatomowe poruszające się z bardzo dużą prędkością. Te nowe cząstki nazywane są mezonami , choć czasami używa się również nazwy mezotron.
LICZENIE NA SZCZYCIE GÓRY
Na początek możemy poeksperymentować na szczycie góry. Samo wzgórze lub niewielkie wzniesienie nie wystarczą. Góra musi mieć ponad kilka tysięcy stóp wysokości, aby uzyskać zauważalny efekt. Niektórzy z Was mogą wybrać się w góry latem. Jeśli tak, zabierzcie ze sobą licznik Geigera – przyda się on również podczas poszukiwań. Przed wyruszeniem w podróż sprawdźcie tempo zliczania w punkcie startowym lub, jeśli to możliwe, na poziomie morza. W miarę jak będziecie w górach, sprawdzajcie tempo zliczania na każdej wysokości. W Denver lub w miejscach o podobnej wysokości zauważycie, że tempo zliczania jest znacznie wyższe niż na poziomie morza. W miarę jak będziecie się przemieszczać na coraz wyższe wysokości, tempo zliczania będzie rosło szybciej.
LICZENIE W SAMOLOCIE
Współczesne samoloty komercyjne zazwyczaj poruszają się na dość dużych wysokościach, szczególnie podczas podróży o dowolnej długości. Jeśli wybierasz się w podróż lotniczą, koniecznie zabierz ze sobą licznik Geigera. Możesz zapytać stewardesę o różne wysokości podczas wznoszenia lub nurkowania samolotu, a być może kapitan pozwoli Ci wejść do kokpitu, gdzie sam będziesz mógł odczytać wysokość. Zachowaj ostrożność podczas pomiarów, aby uzyskać odczyt tła na poziomie morza, ponieważ wiele samolotów ma liczne wskaźniki promieniowania na desce rozdzielczej i, w mniejszym stopniu, w całej kabinie. Zauważysz, że na dużych wysokościach licznik jest dość wysoki. Ten wzrost częstotliwości zliczania jest spowodowany promieniowaniem kosmicznym.
Rysunek 1-9.
EKSPERYMENTOWANIE Z LICZNIKIEM GILBERTA GEIGERA.
19
OKRES PÓŁTRWANIA
Innym ważnym terminem, często używanym w fizyce jądrowej, jest okres półtrwania. Rysunek 1-8, krzywa rozpadu, ilustruje znaczenie okresu półtrwania. Okres półtrwania materiału to okres, w którym połowa początkowej ilości materiału radioaktywnego zniknie. Zatem rozpad 100 atomów U-238 zajmie 4,5 miliarda lat, tak że pozostanie tylko 50. Po kolejnych 4,5 miliarda lat obecnych będzie tylko 25 z początkowych 100 atomów U-238.
Rysunek 1-8.
KRZYWA ROZPADU PROMIENIOTWÓRCZEGO.
Wszystkie atomy radioaktywne podlegają pewnym regułom rozpadu, zmniejszając swoją aktywność o 50% pod koniec pierwszego okresu półtrwania i o kolejne 50% pod koniec drugiego okresu półtrwania. Zatem jedna krzywa ma zastosowanie do wszystkich atomów, niezależnie od tego, czy żyją długo, czy bardzo krótko. Dla jasności uwzględniono zestaw wartości dla cezu-134 o 3-godzinnym okresie półtrwania.
Wszystkie atomy radioaktywne podlegają tej samej zasadzie rozpadu, zmniejszając aktywność o 50% pod koniec pierwszego okresu półtrwania i o kolejne 50% pod koniec drugiego okresu półtrwania. Zatem jedna krzywa ma zastosowanie do wszystkich atomów, niezależnie od tego, czy żyją długo, czy bardzo krótko. Dla jasności uwzględniono zestaw zaworów dla cezu-134 o 3-godzinnym okresie półtrwania.
Niektóre substancje radioaktywne mają bardzo krótki okres półtrwania. Na przykład, w szeregu uranowym, rad C' ma okres półtrwania wynoszący 1/6000 sekundy. Z kolei tellur 130 ma okres półtrwania wynoszący 1,56 biliona lat.
Ogromny zakres wartości okresu półtrwania, od miliardów lat do miliardowych części sekundy, jest kolosalny. Jednak to samo zachowanie, jeśli chodzi o rozpad, obserwuje się w przypadku atomów o najdłuższym i najkrótszym okresie życia. Rozważmy jako przypadek szczególny emiter radioaktywny o okresie półtrwania wynoszącym 3 godziny. Ponieważ będziemy mieli do czynienia z bardzo dużą liczbą atomów, nie jest wygodnie mówić o milionie czy miliardzie atomów, ponieważ jednostki te w wielu przypadkach byłyby zbyt małe dla naszych celów. Jeden gram radu emituje 37 miliardów cząstek alfa na sekundę, a fizycy postanowili użyć tej wartości jako standardu i nadać jej nazwę „jeden kiur” na cześć odkrywców radu.
Mniejszymi jednostkami są milicurie (w skrócie mCi) i mikrocurie (µCi) , odpowiadające odpowiednio 1/1000 i 1/1 000 000 Ci. Później zgłębimy znaczenie tej jednostki radioaktywności, ale na razie powinniśmy traktować ją jedynie jako jednostkę informującą o tym, ile radioaktywności zawiera próbka materiału.
C.d.n.
***
Zachęcam też do wspierania bloga, zarówno pośrednio, poprzez zakup dozymetrów [LINK], jak i bezpośrednio, przez Patronite lub BuyCoffeeTo
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz
Jeśli znajdziesz błąd lub chcesz podzielić się opinią, zapraszam!
[komentarz ukaże się po zatwierdzeniu przez administratora - treści reklamowe i SPAM nie będą publikowane!]