Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki).

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki)."

Raimo Hyttinen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 TYÖ 68. GAMMASÄTEILYN VAIMENEMINEN ILMASSA Tehtävä Välineet Tehtävänä on tutkia gammasäteilyn vaimenemista ilmassa ja esittää graafisesti siihen liittyvä lainalaisuus (etäisyyslaki). Radioaktiivinen mineraalinäyte 3307 (näyte 2), säteilymittari: Alpha ix anturina ulkoinen Geiger-putki, mitta, statiivin jalusta + tanko sekä leukapuristin, yms. Kuva. Säteilymittari ALPHAiX (ks. käyttöohjeet moniste) Taustatietoja Radioaktiiviset mineraalinäytteet 3307 (torberniitti, monatsiitti, autuniitti, davidiitti) ovat uraania ja toriumia sisältäviä harvinaisia maametalleja, jotka lähettävät elektronisäteilyä (β - ) ja gammasäteilyä. Geigerputki ei pysty erottelemaan eri säteilylajeja.. Ytimen siirtyessä viritystilasta alempaan viritystilaan tai perustilaan syntyy lyhytaaltoista sähkömagneettista säteilyä (λ < 0-9 m). (ks. MAOL s. 87 (84)). Säteilyä nimitetään gammasäteilyksi. Jos varauksisen hiukkasen kiihtyvyys on hyvin suuri, sen lähettämä sähkömagneettinen säteily osuu myös gammasäteilyn aallonpituusalueelle. Gammasäteilyä (γ) emittoiva nuklidi pysyy samana nuklidina. Radioaktiivinen ydin voi lähettää myös hiukkassäteilyä. Ytimestä voi emittoitua alfahiukkanen (α) eli heliumatomin ytimen 4 2+ ( He ). Jos ydin emittoi elektronin 2 (e- ) tai positronin (e + ), sen säteilyä kutsutaan beetasäteilyksi ja ainetta beeta-aktiiviseksi (β - ja β + ). Positroni on elektronin vastahiukkanen (antihiukkanen). Sen massa on yhtä suuri kuin elektronin massa ja sähkövaraus +e (MAOL s (04)). Alfa- ja beetasäteilyyn liittyy usein myös gammasäteilyn emittoiminen. Taulukossa (MAOL s (99-03)) on esitetty eri alkuaineiden isotooppeja ja hajoamistapoja puoliintumisaikoineen. Kuva 2. Gammasäteilyn vaimeneminen ilmassa Koska gammakvanttien ja ilman kaasumolekyylien välinen vuorovaikutus on suhteellisen vähäistä, säteilyn heikkeneminen on pääasiassa leviämisvaimenemista. Tämä johtuu siitä, että pistelähteestä kaikkiin avaruuden suuntiin etenevä fotonivirta jakautuu etäisyyden r kasvaessa yhä suuremmalle pallopinnalle, joten säteilyn intensiteetti pienenee verrannollisena suureeseen /r 2.

2 Mitatun laskentataajuuden tulisi siis noudattaa etäisyyslakia I = k 2 r missä I = intensiteetti, r = etäisyys säteilylähteestä ja k = vakio. Tästä nähdään, että riittävän etäisyyden pitäminen säteilylähteeseen on keskeisen tärkeää säteilyltä suojauduttaessa. (Arminen-Mäkelä-Mäkinen-Puhakka-Vierinen: Fysiikan laboratoriotyöt, Tammertekniikka, 2. painos 999, s. 64) Alfasäteily pysähtyy paperiarkkiin ja beetasäteily alumiinilevyyn. Gammasäteily sitä vastoin läpäisee helposti paperin ja alumiinilevyn (kokeile!). Ks. kuva 3. Kuva 3. Gammasäteilyä voidaan vaimentaa, mutta sen läpäisykykyä ei voida täysin poistaa. Fysikaalinen perustelu tälle ilmiölle on gammasäteilyn aaltoluonne (F5, s. 5-20). Useimmiten aalto läpäisee ainakin osittain esteen, mutta hiukkanen pysähtyy esteeseen. Esimerkiksi ääniaalto voi mennä paksun betoniseinän läpi, mutta seinään heitetty lyijykuula ei. Alfa- ja beetasäteily ovat hiukkassäteilyä. Gammasäteily koostuu sähkömagneettisista aalloista. Törmätessään aineeseen ne menettävät energiaa ja lopulta absorboituvat (imeytyvät) aineeseen. Alfahiukkasista muodostuu heliumkaasua, koska ne ottavat kaksi elektronia kiertolaisikseen. Elektroneista (e - ) koostuva beetasäteily jää aineeseen vapaiksi elektroneiksi. Positroneista (e + ) koostuva beetasäteily annihiloituu kohtaamiensa elektronien kanssa, ja näin muodostuu gammasäteilyä. Säteilyn yksikkönä käytetään (keskimääräistä) aktiivisuutta A, joka määritellään tiettynä aikana näytteessä tapahtuvien hajoamisten lukumääränä jaettuna tällä ajalla; N A =. t SI-järjestelmässä aktiivisuuden yksikkö on [ A ] = = Bq (becquerel). s Jos näytteen aktiivisuus A = Bq, niin näytteessä tapahtuu keskimäärin yksi hajoaminen sekuntia kohti. Säteilyn yksiköitä on lukuisia muitakin (ks. F s. 0002, F5 s (08-5), MAOL s.67,70,0 (98)). Kudoksen tai elimen keskimääräisen absorboituneen annoksen (D) yksikkö on gray ( Gy = J/kg). Ekvivalenttiannos (H) kudoksessa on säteilyn painotuskertoimilla kerrottujen keskimääräisten absorboituneiden annosten summa.

(Arminen-Mäkelä-Mäkinen-Puhakka-Vierinen: Fysiikan laboratoriotyöt, Tammertekniikka, 2. painos 999, s. 64) Alfasäteily pysähtyy paperiarkkiin ja beetasäteily alumiinilevyyn.

3 Ekvivalenttiannoksen yksikkö on sievert ( Sv = J/kg). Säteilyn aiheuttamien haitallisten myöhäisvaikutusten ilmaantumistodennäköisyyteen vaikuttaa annoksen lisäksi säteilyn laatu (säteilylaji ja energia). Tämä pyritään ottamaan huomioon säteilyn painotuskertoimilla. Ks. säteilyn laatukertoimet Q (MAOL s. 0 (98)). Ekvivalenttiannos H = Q D. Säteilyn aiheuttama haitallinen myöhäisvaikutus riippuu annoksen ja säteilylajin ja energian lisäksi myös siitä, mihin kudokseen säteily on kohdistunut. Vaara säteilyn aiheuttaman haitan syntymiselle on erilainen eri kudoksissa. Efektiivinen annos E on kudoksen tai elimen painotuskertoimella kerrottujen ekvivalenttiannosten summa (ks. F5, s. 5-56). Efektiivisen annoksen yksikkö on sievert (Sv). Suurimmat painotuskertoimet ovat sukurauhasilla, punaisella luuytimellä, paksusuolella, keuhkoilla ja mahalaukulla. Nämä ovat siis elimistön säteilyherkkiä osia. Annosnopeus ilmaisee, kuinka suuren säteilyannoksen ihminen saa tietyssä ajassa. Yksikkönä on säteilyannos/aika eli sievertiä tunnissa (Sv/h). Käytännössä käytetään yksiköitä millisievertiä tunnissa (msv/h) ja mikrosievertiä tunnissa (µsv/h). Ks. liite 2: Säteilyn yksiköt. Säteilyltä pyritään suojautumaan suurentamalla etäisyyttä säteilylähteestä käyttämällä sopivia suojaimia pienentämällä säteilyaikaa varomalla saastumista RADIOAKTIIVISTEN SÄTEILYLÄHTEIDEN KÄSITTELYOHJEITA: Käytettävät säteilylähteet on hyväksytty opetuskäyttöön Säteilyturvakeskuksen tyyppitarkastuksessa (STUK 06/322/90). Säteilylähteitä on säilytettävä lukittavassa varastokaapissa, joka on mahdollisimman etäällä laboratoriossa työskentelevistä henkilöistä. Radioaktiiviset aineet on suljettu metallifolion sisään ja sitten peitetty metalliverkolla, joka suojaa lähdemateriaalia mekaanisilta vaurioilta estämättä kuitenkaan alfa- ja beetasäteilyn ulospääsyä. Käsittele lähteitä vain pitkillä pinseteillä siten, että lähteiden ikkunaosa on poispäin henkilöistä ja että lähteen ja käyttäjän välinen etäisyys pysyy vähintään 30 cm:nä. (Pinsetit on erityisesti suunniteltu tähän tarkoitukseen). Pane aina lähde lyijyllä vuorattuun säilytyslaatikkoonsa välittömästi käytön jälkeen. Kädet on hyvä aina pestä heti työvuoron päätyttyä. Suoritusohjeita Mitataan ensin taustasäteilyn suuruus (pulssia/min) kolmen mittauksen keskiarvona. Geigerputki voidaan sijoittaa pöydälle vaaka-asentoon ja suorittaa kolme mittausta (IMP/min). Taustasäteilymittaukset kirjataan taulukkoon. Seuraavaksi mitataan gammalähteestä emittoituvan säteilyn voimakkuutta etäisyyden funktiona geigerputkella, joka on kytketty laskentataajuusmittariin tai pulssilaskuriin. Tässä työssä käytetään näytettä 2 (3307) ja säteilymittaria Alpha ix 3000, jonka ulkoisena anturi toimii geigerputki (Ks. mittarin käyttöohjeet). Lähteen voimakkuudesta riippuen mittausalue, siis geigerputken ikkunan ja lähteen välinen etäisyys voi yleensä vaihdella muutamasta cm:stä vajaaseen metriin. Säteilylähteen lähellä etäisyyttä voidaan muuttaa esimerkiksi cm:n välein, kauempana 3 cm:n välein. Mittauksia kannattaa suorittaa ainakin kymmenen välillä 0 cm -50 cm. Lähempänä säteilylähdettä on syytä ottaa useita mittauksia noin cm 2 cm välein. Mittauslaitteisto on esitetty kuvassa 4.

Tämä pyritään ottamaan huomioon säteilyn painotuskertoimilla. Ks. säteilyn laatukertoimet Q (MAOL s. 0 (98)). Ekvivalenttiannos H = Q D.

4 Kuva 4. Mittauslaitteisto. Jokaisesta suoritetusta pulssimäärien (pulssia/min) mittauksista vähennetään kolmen taustasäteilymittauksen keskiarvo. Mittaustulokset kirjataan taulukkoon 2. MITTAUSPÖYTÄKIRJA Taulukko. Taustasäteilymittaukset. Mittaus i pulssia/min 2 3 Keskiarvo: x Taulukko 2. Mittaukset (etäisyys geigerputkesta, pulssimäärä minuutissa). Etäisyys Intensiteetti I o Intensiteetti I = I o - x säteilylähteestä (pulssia/min) (pulssia/min) r / cm Taustasäteily mukana. Taustasäteily vähennettynä.

Mittaustulokset kirjataan taulukkoon 2. MITTAUSPÖYTÄKIRJA Taulukko. Taustasäteilymittaukset.

5 Piirrä intensiteetin (pulssia/min) I riippuvuutta etäisyydestä säteilylähteestä r esittävä kuvaaja(r, I)-koordinaatistoon; I = I(r). (Liite.). ) Vastaako kuvaaja I = I(r) etäisyyslakia: I = k? (k = vakio) 2 r 2) Mitä muita suureiden 2 -riippuvuuksia fysiikassa esiintyy? r 3) Mitkä seikat aiheuttivat virhettä tuloksiin? 4) Miten mittaustarkkuutta voitaisiin parantaa? 5) Mainitse esimerkkejä säteilyn yksiköistä. (ks. esim. Lehto-Luoma: Fysiikka, s , Lehto-Luoma: Fysiikka 5, s. 5-56, Lehto-Luoma: Energia yhteiskunnassa, s. 38).

(k = vakio) 2 r 2) Mitä muita suureiden 2 -riippuvuuksia fysiikassa esiintyy? r 3) Mitkä seikat aiheuttivat virhettä tuloksiin?

6 Liite.

Samankaltaiset tiedostot

Tehtävänä on vertailla eri säteilylähteiden säteilyvoimakkuutta (pulssia/min).

TYÖ 66. SÄTEILYLÄHTEIDEN VERTAILU Tehtävä Välineet Tehtävänä on vertailla eri säteilylähteiden säteilyvoimakkuutta (pulssia/min). Radioaktiiviset säteilylähteet: mineraalinäytteet (330719), Strontium-90