Elevverksted: DATALOGGING AV RADIOAKTIVITET Astrid Johansen, 2009
RADIOAKTIVITET Læreplanmål: Elevene skal kunne gjennomføre forsøk med radioaktivitet, halveringstid og bakgrunnsstråling og forklare fenomenene. Litt atom- og kjernefysikk Her er en forenklet modell av et litiumatom: Vi ser at det er et litiumatom siden det har 3 protoner i kjernen. I periodesystemet har litium atomnummer 3. Dette tallet forteller hvor mange protoner atomet har i kjernen. Siden det er 4 nøytroner i kjernen, er det 7 kjernepartikler til sammen. For akkurat denne utgaven av Liatomet, dvs. for denne isotopen av litium, skriver vi 7 3Li. Der den nederste indeksen angir protontallet og den øverste summen av nøytroner og protoner. I radioaktive grunnstoffer er atomkjernen ustabil. Ved å sende ut radioaktiv stråling, prøver atomkjernen å bli mer stabil. I hovedsak er det 3 ulike typer radioaktiv stråling: -stråling: består av heliumkjerner. Helium har atomnummer 2 og består dermed av 2 protoner. I tillegg er det med 2 nøytroner. En -partikkel kan dermed angis som 4 2He. Når en atomkjerne sender ut -stråling kvitter den seg med 2 protoner og 2 nøytroner og blir dermed til et nytt grunnstoff med 2 atomnummer lavere. Eks.: U Th He 238 234 4 92 90 2
Her omdannes en uranisotop til en thoriumisotop samtidig som det sendes ut en -partikkel. -stråling: Her er det et nøytron som går i stykker, og det dannes et proton og et elektron i stedet. Elektronet kan ikke være i kjernen, og sendes ut som -stråling. -stråling består derfor av elektroner. Den nye atomkjernen som dannes vil ha et proton mer enn den opprinnelige og dermed 1 mer i atomnummer. Eks.: Th Pa e 234 234 0 90 91 1 Her omdannes en thoriumisotop til en protactiniumisotop samtidig som det sendes ut et elektron. Klarer du å se av indeksene at det er et nøytron som har blitt til et proton og et elektron? -stråling: Dette er elektromagnetisk stråling med veldig høy energi. Den følger ofte etter - og -stråling som en slags opprydning i den nye atomkjernen som er dannet. Ved -stråling får vi ikke dannet noe nytt grunnstoff. Det som skjer er at sluttkjernen faller ned i en lavere energitilstand enn det startkjernen var i i utgangspunktet. Da blir energiforskjellen sendt ut som elektromagnetisk stråling.
Forsøk 1: Rekkevidden for -, - og -stråling I dette forsøket skal vi undersøke hva som skal til for å stoppe de ulike typene av radioaktiv stråling. Utstyr: -, - og -kilde Geiger-teller Datalogger (her er det brukt MultiLogPRO) 2 stativer med holdere Målbånd/tommestokk Ulike typer og tykkelser av skjerming: papirark, pølseskiver, trefjøler og metallplater Framgangsmåte: Oppsett og innstilling av dataloggeren 1. Koble GM-telleren til I/O-1-inngangen på dataloggeren og trykk på on. 2. Gå ved hjelp av piltasten på loggeren til ikonet for System configuration 3. Trykk på og forsikre deg om at Input Mode: står på 8 inputs. Hvis ikke så endrer du det ved hjelp av piltastene. Gå ut igjen vha. 4. Klikk på Setup the logger i Main Menu
5. Mens pilmarkøren peker på In-1 klikker du på piltasten til du får fram GM 4095bq 6. Trykk på. Da vil pilmarkøren hoppe ned til Rate. Klikk med fram- eller bakoverpil til du får fram Every 10 sec. Dvs. at GM-telleren teller aktiviteten i 10 sekunder før den vises på skjermen. Dersom du trykker hopper markøren ned til SAMPLES. Der kan du velge antall målinger loggeren skal gjøre ved hjelp av piltasten. Ved neste trykk på hopper markøren ned til DISPLAY. Trykk på til du får fram table. Nå er loggeren ferdig innstilt, og du kan gå tilbake til hovedmenyen ved å trykke på. 7. Loggingen startes ved å trykke på når du er i hovedmenyen. Eksperimentelt: a) Hvor stor er bakgrunnstrålingen som alltid omgir oss? Start loggeren og la den gå noen minutter uten at de radioaktive kildene er i nærheten. Hva vil du anslå bakgrunnstrålingen til å være?
Hva slags enhet skal du oppgi den i? b) Hvor langt går strålingen i luft (uten skjerming)? Fest Geigertelleren og en radioaktiv kilde i hvert sitt stativ. Legg målbåndet/tommestokken på benken og noter avstanden mellom kilden og telleren. Fyll ut aktiviteten geigertelleren måler i tabellen under Type Avstand: 5 cm Avstand: 30 cm Avstand: 100 cm Avstand: 200 cm c) Hva skal til for å stoppe de ulike stråletypene? Ta for deg hver av de 3 radioaktive kildene og mål aktiviteten med Geigertelleren når du skjermer kilden med ulike tykkelser av ulike materialer. Tabellen under kan du bruke som et utgangspunkt. Type Materiale:. Tykkelser:. Materiale:. Tykkelser:. Materiale:. Tykkelser:. Materiale:. Tykkelser:. Hva kan du si om de ulike stråletypene ut i fra dette?
Forsøk 2: Halveringstid for Ba-137 Teori: Generelt om radioaktiv stråling I tillegg til høyt energiinnhold, er det 2 andre karakteristiske trekk ved all radioaktiv stråling: - tilfeldighet: du vet aldri når eller om en atomkjerne kommer til å desintegrere - halveringstid: dersom du har tilstrekkelig mange radioaktive atomkjerner, vil alltid halvparten av dem ha blitt omdannet i løpet av en bestemt tid. Denne tiden er alltid den samme for en gitt atomkjerne og kalles halveringstiden. Fig.1 Karakteristisk aktivitet for en radioaktiv isotop. T er halveringstiden. Om isotopgeneratoren Isotopgeneratoren inneholder en liten mengde Cs-137. Denne isotopen sender ut β - -stråling og har en halveringstid på 30,2 år. Når denne isotopen desintegrerer vil ca. 5% av den omdannes til stabilt Ba-137, mens de resterende 95% omdannes til en eksitert Ba-137* kjerne. Ba-137* henfaller videre til stabil Ba-137 under utsendelse av -stråling. Halveringstiden for Ba-137* er 2,6 minutter og energien i -kvantet er 662 kev. Disse -kvantene kan detekteres i en vanlig GM-teller.
Fig.2 Omdanningsskjema for Cs-137 I isotopgeneratoren vil både Cs-137. Ba-137* og Ba-137 være tilstede. Ved hjelp av en spesiell slammeoppløsning kan vi melke ut Ba-137* uten at Cs- 137 følger med. Utstyr: Cs/Ba-137 isotopgenerator, slammeløsning, plastsprøyte 5 ml, lite stålbeger, petriskål i plast, MultiLog datalogger m/ tilhørende GM-teller, stativ, engangshansker og PC. FRAMGANGSMÅTE: Datalogger: 1. Koble USB-porten på loggeren med USB-inngangen på datamaskinen. 2. Press On på loggeren. 3. Koble til GM-telleren til inngang I/O-1 på loggeren. 4. Gå ved hjelp av piltasten på loggeren til ikonet for System configuration 5. Trykk på og forsikre deg om at Input Mode: står på 8 inputs. Hvis ikke så endrer du det ved hjelp av piltastene. Gå ut igjen vha. 4. Åpne MultiLab-programmet på datamaskinen. 5. Klikk på Set Up -ikonet på menylinja.
6. Velg GM counter 0-1024 Bq på inngang 1 og klikk Next 7. Velg passende målehastighet, for eksempel Every 10 seconds, Full scale eller Scroll avhengig av om du vil at datavinduet skal følge målingene eller ikke og Replace dersom du vil at måleserien skal komme i et rent koordinatsystem. 8. Når det øvrige eksperimentelle er klart, trykker du på start-ikonet på skjermen. Isotopen: 1. Klargjør alt nødvendig utstyr: ha på engangshansker, finn fram petriskål, det lille stålkaret, plastsprøyten og flasken med slammevæske. 2. Monter GM-telleren i et stativ og fjern forsiktig beskyttelsestoppen på den. 3. Trekk opp noen ml slammevæske i plastsprøyten. 4. Fjern beskyttelseshetten på isotopgeneratoren. 5. Fest sprøyten over hullet på toppen av generatoren. Generatoren holdes vertikalt med pilen pekende nedover over stålkaret som ligger oppi en petriskål. 6. Press så mye av slammevæsken inn i generatoren at det drypper ca. 7 dråper ned i stålkaret. 7. Flytt straks petriskål og stålkar under GM-røret. Flytt GM-røret så tett nedtil karet som mulig.
8. Start målingene så snart som mulig ved å trykke på start-ikonet på PC en. Bestemmelse av halveringstiden ut fra måleresultatene Bruk grafverktøyet i MuliLab:. Først bør du markere hvilket dataområde som skal brukes. Bruk markeringsverktøyet på nedre verktøylinje. Når det kommer opp en pil på skjermen, kan du flytte denne til nedre grense for dataområdet ved hjelp av piltastene. Ved ønsket posisjon: trykk Enter. Gjør tilsvarende for øvre grense med ikonet. Klikk nå på Analysis Wizard ikonet på øvre verktøylinje. Velg deretter Exponential som kurvetilpassing.
Fig.3 Eksempel på måledata og regresjon i MultiLab. I tillegg gir programmet ut funksjonsuttrykket for grafen. Programmet finner og tegner da den eksponentialfunksjonen som passer best til måledataene og oppgir funksjonsuttrykket under grafen. Halveringstida kan da bestemmes på tilsvarende måte som i Alt.1 (se fig.4): Velg ut et tilfeldig aktivitetsnivå (her: 120). Gå inn på grafen og deretter ned på tidsaksen. Les av tiden (her: 150 s). Gå deretter inn på det halve aktivitetsnivået (her: 60) og les av tilhørende tid (her: 320 s). Denne tidsdifferansen (her: 320 s 150 s = 170 s) er dermed tiden det tar før aktiviteten blir halvert, dvs. halveringstiden. Halveringstiden kan også bestemmes ut fra funksjonsuttrykket, men det krever matematikkunnskaper på minimum 1T-nivå.
Fig.4 Eksempel på hvordan halveringstiden kan bestemmes som tiden det tar fra et visst aktivitetsnivå til aktiviteten er halvert