To kolejna część podręcznika dołączana do "atomowego laboratorium" firmy Gilbert.
ROZDZIAŁ III
WYKRYWANIE CZĄSTEK ELEKTRYCZNIE
Do tej pory korzystaliśmy z licznika Geigera i komory mgłowej do śledzenia cząstek jądrowych. Nasze obserwacje koncentrowały się na cząstce alfa i promieniowaniu gamma. Odkryliśmy, że cząstka alfa, pomimo swojej wysokiej energii, jest łatwo absorbowana w kilku centymetrach powietrza lub na kartce papieru. Promieniowanie gamma jest w stanie przenikać przez dość grube warstwy materiału, bez problemu przebijając większość książek. W tej sekcji wykorzystamy nowy instrument zwany „elektroskopem”. Za jego pomocą ponownie zbadamy cząstkę alfa i promieniowanie gamma, a dodatkowo, bardziej szczegółowo, zbadamy promieniowanie beta.
Z naszego wcześniejszego doświadczenia wiemy, że cząstka alfa odrywa elektrony od neutralnych atomów i przekształca je w jony. Te jony, czyli atomy obdarzone ładunkiem elektrycznym, normalnie napotykałyby inne elektrony wędrujące w gazie i rekombinowały, tworząc ponownie neutralne atomy. Ale jeśli dysponujemy elektroskopem z komorą jonizacyjną, w której znajduje się elektroda zbiorcza przyciągająca jony, będą one pędzić w kierunku tego drutu tak szybko, że większość z nich nie zdąży zebrać żadnych elektronów i stać się neutralnymi. Ten gwałtowny przepływ jonów przez powietrze komory jonizacyjnej tworzy to, co nazywamy prądem jonizacji .
Rysunek 3-1.
ZDJĘCIE CHŁOPCA REGULUJĄCEGO ELEKTROSKOP
30
OBSŁUGA ELEKTROSKOPU
Aby uruchomić elektroskop, podłącz dwa przewody do zacisków Gilbert Dri-Electric Power Pack. (Patrz Rysunek 3-1.) Spowoduje to zapalenie się małej żarówki pod podstawą komory i umożliwi Ci zobaczenie ekranu wewnątrz cienkiej, czarnej tuby. Prawdopodobnie zobaczysz tylko podziałkę na skali. Chwyć czarne pokrętło za tubą obserwacyjną i poruszaj nim, aż wyraźny obraz igły komory jonowej przetnie pole widzenia. (Patrz Rysunek 3-2.) Na początku poruszaj pokrętłem bardzo powoli, aż nabierzesz wprawy w rozpoznawaniu obrazu i przesuwaniu go po polu widzenia. (Patrz Rysunek 3-3.) Następnie obracaj pokrętło ładowania w sposób ciągły, aż włókno znajdzie się na prawo od zera na skali. Teraz obróć pokrętło w przeciwnym kierunku, aby sprowadzić włókno do zera. Lekkie cofnięcie pokrętła zatrzyma ruch włókna. Naładowałeś teraz elektroskop do około 200 woltów.
Ustaw igłę tak, aby pozostawała na poziomie zera. Może się okazać, że igła nie zawsze jest wyraźnie widoczna na całej długości skali. Teraz umieść źródło promieniowania alfa pod komorą i za pomocą zegarka naręcznego zmierz, ile czasu zajmuje igle przesunięcie się wzdłuż skali. (Patrz rysunek 3-4). Im silniejsze źródło promieniowania alfa, tym szybciej igła będzie się poruszać. W ten sposób elektroskopu można użyć do pomiaru radioaktywności alfa.
Rysunek 3-2.
WIDOK PRZEKROJOWY ELEKTROSKOPU
Rysunek 3-3.
WSKAŹNIK I SKALA ELEKTROSKOPU
31
ŹRÓDŁO ALFA UMIESZCZONE POD ELEKTROSKOPEM
EKSPERYMENTOWANIE Z ELEKTROSKOPEM
Najpierw sprawdźmy, jak zachowuje się elektroskop, gdy w pobliżu nie ma materiałów radioaktywnych. Ustaw igłę elektroskopu tak, aby znajdowała się w położeniu zerowym. Zanotuj czas w zeszycie. Następnie śledź ruch igły wzdłuż skali. Zapisuj położenie igły co kilka minut. Prędkość ruchu igieł powinna być bardzo wolna. Przebycie całej drogi przez skalę powinno zająć kilka godzin. Może się jednak zdarzyć, że prędkość ruchu będzie znaczna. Teraz, kiedykolwiek wykonujesz pomiar ze źródłem radioaktywnym, powinieneś odjąć prędkość ruchu od odczytu. Możesz oczywiście odłożyć przyrząd do mniej wilgotnego dnia, kiedy prędkość ruchu będzie niska.
W poniższych sekcjach przedstawimy eksperymenty, które można wykonać ze źródłami promieniowania alfa, beta i gamma. Podczas wykonywania tych pomiarów należy pamiętać o różnicy między licznikiem Geigera a elektroskopem. Licznik Geigera działa na podstawie przepływu pojedynczego promienia. Elektroskop natomiast nie zlicza każdej cząstki, lecz działa dzięki jonizacji wytwarzanej w elektroskopie przez promieniowanie. Promienie alfa generują najsilniejszą jonizację, dlatego elektroskop jest na nie bardzo czuły. Promienie beta są słabszymi jonizatorami, na które elektroskop jest mniej czuły. Elektroskop jest jedynie nieznacznie czuły na pomiar promieni gamma, które mają bardzo niską moc jonizującą.
32
ZAKRES CZĄSTEK ALFA
Z naszych eksperymentów w komorze mgłowej wiemy, że maksymalna odległość (zasięg), jaką cząstka alfa pokonuje w powietrzu, wynosi mniej niż dwa cale. Aby zmierzyć zasięg cząstek alfa w powietrzu za pomocą elektroskopu, należy ustawić instrumenty zgodnie z rysunkiem 3-5. Plastikową skalę z podziałką centymetrową i calową należy przykleić taśmą do skrzynki lub wspornika, na którym znajduje się źródło promieniowania alfa, tak aby koniec zerowego centymetra dotykał ekranu elektroskopu.
Podpora jest wypoziomowana tak, aby źródło promieniowania alfa było ustawione w jednej linii z elektrodą zbiorczą. (Elektroda zbiorcza to mały drut, który można zobaczyć, patrząc od spodu elektroskopu). W ten sposób instrument leży na boku, a rurka elektroskopu jest skierowana do góry. Zauważysz, że skala elektroskopu jest teraz przesunięta, ale nie powinno to sprawić żadnych problemów.
Umieść źródło promieniowania alfa tak, aby rzeczywista powierzchnia substancji emitującej promieniowanie alfa znajdowała się pięć centymetrów od ekranu. Ponieważ metal zawierający materiał radioaktywny znajduje się dwa milimetry od powierzchni plastikowego krążka, oznacza to, że musisz ustawić przednią krawędź plastikowego krążka w odległości 4,8 centymetra od ekranu. Zanotuj szybkość wahań wskaźnika (włókna kwarcowego) w tym położeniu. Upewnij się, że nie naruszasz układu aparatu. Teraz przesuń źródło o jeden centymetr bliżej ekranu. Wykonaj serię odczytów, zmieniając odległość za każdym razem o jeden centymetr, i zapisz dane w zeszycie w schludnym rzędzie cyfr.
Zanim pobierzesz więcej danych, przygotuj szkic kilku posiadanych odczytów, zaznaczając punkty jak pokazano na rysunku 3-8. Następnie spójrz na wykres, zwracając uwagę na miejsca, w których potrzebujesz więcej danych w innych odczytach, aby dokładniej określić zasięg cząstek alfa. Zauważysz, że musisz uzyskać odczyty z odległości od dwóch do trzech centymetrów.
USTAWIENIA DO OKREŚLANIA ZAKRESU ALFA
33
Rysunek 3-6.
ZASIĘG CZĄSTEK ALFA
metrów od ekranu. Dobrą zasadą jest prowadzenie obserwacji w szerokim zakresie, zanim zaczniesz zbierać dane w małych odstępach czasu. Oszczędza to czas i umożliwia dokładniejszą pracę.
Po zebraniu większej ilości danych i naniesieniu ich na wykres, widać, że do około 2,8 centymetra od ekranu prędkość dryftu jest dość stała, a zatem prąd jonizacji jest dość stały. Przy 2,8 centymetra prąd jonów zaczyna gwałtownie rosnąć i rośnie coraz szybciej, aż do końca skali. Dzieje się tak, ponieważ wraz ze zbliżaniem się źródła do ekranu, w zasięg komory elektroskopu trafia więcej cząstek alfa. Należy pamiętać, że cząstki alfa wyłaniają się z powierzchni źródła, rozchodząc się we wszystkich kierunkach, niczym kawałki popcornu wyskakujące z gorącej patelni. Niektóre z nich będą zmierzać prosto w stronę komory, a inne będą wystrzeliwać w innych kierunkach.
Na pierwszy rzut oka mogłoby się wydawać, że wartość 2,8 centymetra, którą odczytujemy z naszego wykresu, to zasięg cząstki alfa. Nie zgadza się to jednak z podręcznikami, które podają, że zasięg wynosi 3,8 centymetra. Skąd ta różnica jednego centymetra? Jeśli przyjrzymy się uważnie spodniej stronie elektroskopu, zauważymy, że elektroda zbiorcza nie sięga aż do ekranu. Pomiary wykonane za pomocą elektroskopu ogólnego przeznaczenia, takiego jak model Gilberta, wymagają współczynnika korekcyjnego; należy dodać jeden centymetr do zmierzonego zasięgu cząstki, aby uzyskać jej rzeczywisty zasięg, od źródła do komory.
34
ABSORBCJA CZĄSTEK ALFA
Oprócz pomiaru zasięgu cząstek alfa w powietrzu, możemy zmierzyć ich absorpcję w cienkich arkuszach materiału, takich jak papier. Aby udowodnić, że nawet arkusz zwykłego papieru do pisania jest wystarczająco gruby, aby absorbować cząstki alfa, należy umieścić źródło promieniowania alfa na małym kartonowym pudełku lub innym podłożu, tak aby przylegało do ekranu elektroskopu.
Możesz wykonać ten eksperyment, trzymając instrument prawą stroną do góry, ale uważaj, aby plastikowe źródło światła nie przechyliło się na małej nakrętce mocującej lampę do ekranu. W tej pozycji źródła alfa zmierz prędkość dryftu – powinna być bardzo wysoka. Zdejmij źródło alfa z ekranu i umieść na nim pojedynczą kartkę papieru, a następnie umieść źródło pod ekranem jak poprzednio.
Szybkość dryfu powinna być teraz znacznie mniejsza, w zależności od grubości użytego papieru. Możesz przeprowadzić serię eksperymentów z bardzo cienką bibułką. Na przykład, pojedynczy arkusz papieru cebulowego (takiego jak papier kalkowy do maszyn do pisania) pozwoli na przedostanie się części cząstek. Jeśli użyjesz dwóch arkuszy zwykłego papieru cebulowego, okaże się, że to wystarczy, aby zatrzymać wszystkie cząstki alfa. Zobacz rysunek 3-7, aby zapoznać się z absorpcją promieniowania alfa, beta i gamma.
Rysunek 3-7.
ABSORBCJA PROMIENI ALFA, BETA I GAMMA
35
INNE EKSPERYMENTY Z CZĄSTKAMI ALFA
Istnieje wiele innych eksperymentów, które możesz przeprowadzić z cząstkami alfa emitowanymi przez źródło promieniowania alfa. Mamy nadzieję, że sam wymyślisz eksperymenty i przeprowadzisz je w sposób systematyczny. Najpierw zadaj sobie pytanie, jaką właściwość promieniowania alfa chcesz zbadać, a następnie zaplanuj eksperyment.
Można wykonać bardzo prosty gadżet, który wytworzy wiązkę promieni alfa, nie dając jednak możliwości zmiany kierunku rozchodzenia się cząstek alfa ze źródła tak, aby poruszały się w jednym kierunku.
Ale postępuj zgodnie z tą procedurą: weź małą tubę papierową lub małe pudełko papierowe, takie jak do etykiet z klejem. Zrób dziurki w obu bokach pudełka i umieść je nad źródłem cząstek alfa. Z drugiego otworu wyjdą tylko te cząstki, które poruszają się w tym samym kierunku co dwa otwory. W rzeczywistości stworzyłeś wiązkę promieni alfa. Liczba cząstek alfa w tej wiązce będzie niewielka, ponieważ uzyskałeś ją, eliminując dużą liczbę cząstek.
WYKORZYSTANIE PROMIENI GAMMA I ELEKTROSKOPU
Zamontuj źródło promieniowania gamma na małej obudowie tak, aby było ustawione w jednej linii z elektrodą zbiorczą elektroskopu, tak jak zrobiliśmy to w przypadku źródła promieniowania alfa do pomiarów zasięgu. Wykonaj serię odczytów, zaczynając od odległości między źródłem a ekranem wynoszącej 12 cali i rozmieść obserwacje w odległościach 6, 4, 3, 2, 1 i 0 cali.
Pamiętaj, że rzeczywiste położenie materiału radioaktywnego wewnątrz plastikowego krążka znajduje się 1,25 cm od powierzchni. Nanieś dane na wykres jak poprzednio. Zamiast oznaczać pionową oś krzywej jako „prędkość dryftu”, będziemy teraz bardziej dorośli i nazwiemy ją prądem jonizacji, ale nadal możemy używać tych samych jednostek, czyli jednostek na minutę.
Zauważysz, że użycie elektroskopu jest znacznie łatwiejsze niż próba przeprowadzenia tego samego eksperymentu z licznikiem Geigera. W przypadku elektroskopu wystarczy wykonać odczyt, odstawić urządzenie na chwilę, a następnie wrócić i wykonać kolejny odczyt. Co więcej, urządzenie jest dość dokładne. Aby to zademonstrować, możesz teraz powtórzyć eksperyment pomiaru absorpcji promieniowania gamma w materiale stałym.
EKSPERYMENTOWANIE Z CEGŁAMI
Najpierw spróbujmy zbudować coś z klocków. Połóż elektroskop na boku i umieść źródło promieniowania gamma w odległości około 23 cm od ekranu. Możesz sprawdzić prąd jonizacji w tym miejscu, dokonując odczytu. Po każdej obserwacji wykonaj serię pomiarów, dodając kolejny klocek. W ten sposób możesz skonstruować krzywą absorpcji, po prostu nanosząc prąd jonizacji na grubość klocka między źródłem a elektroskopem. Dokładne wyniki będą zależeć od konfiguracji oraz rodzaju użytego klocka.
36
Ciężka cegła pochłonie więcej promieniowania gamma niż lekka. Z drugiej strony, małe cegły pozwolą na rozproszenie części promieniowania wokół siebie i dotarcie do komory elektroskopu bez przechodzenia przez cegłę. Zasadniczo, grubość cegły wynosząca 5–7,5 cm (5–7,5 cm) zmniejszy intensywność promieniowania gamma o około połowę.
Oprócz użycia cegieł jako absorberów, spróbuj użyć innych materiałów, takich jak drewno, beton, aluminium, żelazo i ołów. Możesz również z powodzeniem spróbować użyć wody i ziemi jako absorberów. Wymaga to użycia pojemnika do przechowywania ziemi lub wody. Jeśli uda Ci się zdobyć trochę ołowiu, spróbuj zbudować haubicę promieni gamma . Możesz to zrobić w następujący sposób: wywierć otwór o średnicy 1/2 cala w bloku ołowiu i umieść źródło promieniowania gamma na końcu tego otworu, otaczając je blokami ołowiu, tak aby wiązka promieni gamma wychodziła przez otwór. Jeśli ołów nie jest pod ręką, spróbuj użyć rury o średnicy 1/2 cala i otocz ją ciężkim metalem. Następnie możesz przeprowadzić eksperymenty absorpcyjne na belce i zanotować różnicę w absorpcji, jaka z tego wynika.
Haubica wytwarza słabą wiązkę, dlatego będziesz musiał dokładniej wykonywać pomiary, ponieważ prądy będą mniejsze i uzyskanie dokładnych danych zajmie więcej czasu .
CZĄSTKA BETA LUB PROMIEŃ BETA
Widzieliśmy już, że nasz licznik Geigera ma ścianki wystarczająco cienkie, aby przepuszczać cząstki beta, i zmierzyliśmy absorpcję promieniowania beta, stwierdzając, że jest ono bardziej przenikliwe niż cząstki alfa, ale mniej niż promieniowanie gamma. Przyjrzymy się teraz promieniom beta dokładniej, używając elektroskopu, który dostarczy nam nowych danych na ich temat.
Eksperymenty ze źródłem cząstek beta muszą być przeprowadzane ostrożnie. Bezpośrednio przekonamy się, że obecność jakichkolwiek obiektów w pobliżu źródła beta może powodować wyraźne rozproszenie elektronów. Dlatego wykonując dowolny eksperyment, musimy upewnić się, że zachowamy te same warunki eksperymentalne, aby móc porównywać wyniki. Jeśli w jednym zestawie eksperymentów pomiary przeprowadzamy na betonowej podłodze, a w innym na stole z jasnego drewna, istnieje prawdopodobieństwo uzyskania różnych wyników.
Jako pierwszy eksperyment zmierz natężenie prądu jonowego w elektroskopie dla różnych odległości źródła od komory i nanieś wyniki na wykres w standardowy sposób. Uważaj, aby elektroskop i źródło beta znajdowały się w jednej linii. Możesz to zrobić, solidnie mocując źródło beta do jakiegoś obiektu, takiego jak pudełko, i przesuwając tylko elektroskop. Dobrym pomysłem jest przeprowadzenie eksperymentu na cienkiej sklejce, do której możesz przymocować źródło beta w pozycji pionowej taśmą klejącą. Możesz również zaznaczyć odległości bezpośrednio (w calach i centymetrach za pomocą plastikowej linijki) na powierzchni sklejki.
Dokładny kształt krzywej intensywności cząstek beta w funkcji odległości, jaką uzyskasz, będzie zależał od konfiguracji eksperymentu. Można się o tym przekonać, montując źródło promieniowania beta i elektroskop w pewnej odległości od powierzchni i wykonując serię pomiarów w powietrzu z niewielką ilością materiału stałego w pobliżu źródła lub komory. Porównaj te wyniki z danymi uzyskanymi na blacie stołu.
37
ZASIĘG PROMIENI BETA
Chociaż nie możemy dokonać rzeczywistego pomiaru zasięgu cząstek beta w powietrzu, możemy dokonać dokładnego pomiaru zasięgu w niektórych materiałach, takich jak szkło, papier, pleksiglas czy aluminium. Wszystkie te materiały są powszechnie dostępne w domu lub w sklepie z narzędziami. Aluminium jest materiałem zazwyczaj używanym do wykonywania testów zasięgu beta. Najlepiej sprawdzają się cienkie arkusze aluminium.
Przymocuj źródło promieniowania beta do stołu lub sklejki za pomocą niewielkiej ilości taśmy klejącej. Ustaw elektroskop pionowo i ustaw go tak, aby nogi równomiernie obejmowały źródło. Zaznacz ołówkiem położenie nóg, aby łatwo było ustawić elektroskop w tej samej pozycji za każdym razem. Bez absorbera sprawdź natężenie prądu jonizacji. Następnie, nasuwając jedną warstwę materiału na źródło, wykonaj dokładny pomiar, zapisz dane i dodaj kolejną warstwę. Pamiętaj, aby poświęcić czas na obserwacje, ponieważ kolejne warstwy materiału będą dodawane do źródła, w przeciwnym razie odczyty będą niedokładne.
Twoje wyniki, po naniesieniu na wykres, powinny wyglądać jak krzywa przedstawiona na rysunku 3-8. Wyniki przedstawione na ilustracji zostały uzyskane z użyciem grubej tektury jako absorbera. Linia przerywana na rysunku 3-8 ilustruje, jak wyglądałaby krzywa dla aluminium.
Rysunek 3-8.
ZAKRES CZĄSTEK BETA Z Rh-106
38
RUDY RADIOAKTYWNE I ELEKTROSKOP
Radioaktywne rudy spowodują również ruch wskaźnika elektroskopu. Kontynuuj ten eksperyment tak samo, jak w Sekcji I, używając rudy autunitu z licznikiem Geigera.
ZAGROŻENIA RADIOAKTYWNE
Mówimy o zagrożeniach związanych z promieniowaniem alfa i beta jako o zagrożeniach wewnętrznych , ponieważ generalnie są one szkodliwe tylko wtedy, gdy dostaną się do wnętrza organizmu. Widzieliśmy, że te cząstki nie przenikają tak głęboko jak promieniowanie gamma, ale mogą być szkodliwe, ponieważ gdy już dostaną się do organizmu, pozostają tam prawdopodobnie przez całe życie.
Jak widzieliśmy, cząstki alfa pokonują w tkance jedynie niewielką odległość, ale mogą wyrządzić znaczne szkody, jeśli tkanka ta odgrywa ważną rolę w funkcjonowaniu organizmu. Jeśli coś takiego jak rad odłoży się w kościach, skąd może wystrzelić cząstki alfa do szpiku kostnego z bliskiej odległości, może to spowodować poważne uszkodzenia. Może się to zdarzyć, jeśli rad zostanie wdychany lub w jakiś sposób przedostanie się do organizmu.
Więcej informacji na temat zagrożeń radiacyjnych podamy w dalszej części podręcznika. Nie alarmuj się tymi informacjami. Mają one jedynie na celu poinformowanie Cię o potencjalnych zagrożeniach. Współczesny świat znacznie wyolbrzymił te zagrożenia. Ludzie często boją się czegoś, o czym niewiele wiedzą. Jedynym sposobem, aby zapomnieć o tych obawach, jest przedstawienie im faktów dotyczących zagrożeń radiacyjnych. W całym podręczniku znajdziesz te fakty, które pokażą Ci, że możesz poradzić sobie z radioaktywnością, jeśli potrafisz ją rozpoznać.
39
C.d.n.
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!]