DFCL 3 Helsingin Yliopisto 19. Kokonaisuus: Radioaktiivisuus Ryhmä: E2 Anne Hokkanen Nina Kaakko Ohjaaja: Ari Hämäläinen
SSÄLLYSLUETTELO 1. PERUSHAHMOTUS, TUNNSTMNEN JA LUOKTTELU 2 1.1 Säteilyn havaitseminen 2 1.1.1 Geiger-putken toimintaperiaate 3 1.2 Säteilyn ominaisuudet ja lajit 4 1.2.1 Voimakkuus ja läpäisykyky 4 1.2.2 Säteilyn käyttäytyminen magneettikentässä 1 1.2.3 Säteilyn lajit 14 2. ESKVANTFOVA KVANTFOVA KOKETA 15 2.1 Heikkenemislait 15 2.1.1 Etäisyyden vaikutus, beeta- ja gammasäteilyn 15 heikkeneminen etäisyyden funktiona 2.1.2 Väliaineen vaikutus, alfakantama ilmassa 19 2.1.3 Väliaineen vaikutus, gammasäteilyn 21 heikkeneminen lyijyssä 3. HAJOAMNEN 24 3.1 Hajoamislaki 24 3.2 Puoliintumisaika 3 4. SPEKTROSKOPA 31 5. TYÖPROSESSN KUVAUS 33 LÄHTEET 1
1. PERUSHAHMOTUS, TUNNSTMNEN JA LUOKTTELU 1.1 Säteilyn havaitseminen Ydinsäteilyä ei voi havaita aistein. Vuoden 1896 alussa ranskalainen fyysikko Henri Becquerel havaitsi, että uraaniyhdisteet, jopa silloin kun niitä säilytettiin pimeässä, lähettivät itsestään tuntemattoman luonteista säteilyä, joka sumensi jopa mustaan paperiin käärityn valokuvauslevyn. lman mittareita säteilyn havaitsemiseksi tarvitaan jonkinlainen vastaanotinlaite. Työssä 1.1 käytettiin hyväksi ydinsäteilyn kykyä muuttaa ilman sähkönjohtavuutta. Työssä kytkettiin sähköstatiikan kokeissa käytetty levykondensaattori suurjännitelähteeseen. Kondensaattorilevyjen välimatkaksi säädettiin n. 5 1 mm. Jännitelähteen jännite säädettiin sellaiseksi, etteivät kipinät juuri ja juuri iskeneet levyjen välillä. Kun alfa-lähde laitettiin lähelle levyjen väliä (Kuvat 1 ja 2), havaittiin, että alfalähteen kohdalla kipinät iskivät levyjen välillä. Säteilyn olemassaolo havaittiin sen aikaansaaman sähköpurkauksen kautta. Kuva 1 2
Kuva 2 Säteilyn havaitseminen 1.1.1 Geiger-putken toimintaperiaate Kokeen 1.1 jälkeen voitiin ottaa käyttöön Geiger-putkeen perustuvat säteilynilmaisimet, koska Geiger-putken toiminta perustuu säteilyn aikaansaamaan sähköpurkaukseen. Kuva 3 Kuva 3 (Halliday yms.-kirjasta) esittää periaatekuvaa Geiger-putkesta. Geigerputki koostuu ohuesta, positiivisesti varatusta johdelangasta sekä johdelankaa ympäröivästä, negatiivisesti varatusta ontosta johdeputkesta. Johdeputki on täytetty matalapaineisella jalokaasulla. Johdelangan ja putken varaukset ovat itseisarvoiltaan yhtä suuret. Langan ja putken välissä on voimakas putken säteen suuntainen sähkökenttä. Kun Geiger-putkeen saapuu ydinsäteilyä, säteily vuorovaikuttaa jalokaasuatomien kanssa ionisoiden niitä. onisaation tuloksena syntyy vapaita elektroneja, joihin negatiivisen putken ja positiivisen langan välinen sähkökenttä vaikuttaa. Elektronit alkavat sähkökentän vaikutuksesta siirtyä 3
kohti positiivisesti varattua lankaa. Matkan varrella ne törmäävät jalokaasuatomeihin aiheuttaen uusia atomien ionisoitumisia. onisoitumisien tuloksena syntyy lisää vapaita elektroneja. Prosessi jatkuu, kunnes vapaat elektronit saavuttavat johdelangan. Elektronien törmäys johdelankaan aiheuttaa signaalin, joka ilmaisee putkeen saapuneen säteilyn. 1.2 Säteilyn ominaisuudet ja lajit 1.2.1 Voimakkuus ja läpäisykyky Kokeessa 1.2.1 tutkittiin kolmen erilaisen säteilylähteen (näytteet 1, 2 ja 3, kuva 4, radaineet) lähettämän säteilyn voimakkuuden muuttumista ja läpäisykykyä, kun säteilylähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä muutettiin tai, kun lähteen ja ilmaisimen väliin lisättiin paperia, muovia, alumiinia tai lyijyä. Tutkimukset tehtiin rekisteröimällä ilmaisimen antamien pulssien lukumääriä. Ko. menetelmällä voidaan tehdä vain suhteellisia voimakkuustutkimuksia saman säteilylähteen voimakkuuden muuttumisesta, tai vertailla keskenään tunnetusti samanlaisten lähteiden säteilyjä. Erilaisten lähteiden säteilyjä ei voida vertailla, koska eri säteilylajit vaikuttavat ilmaisimeen eri tavoin. Menetelmää ei myöskään suoraviivaisesti voi käyttää näytteen aktiivisuutta koskevien johtopäätösten tekemiseen, koska vain osa lähteen säteilystä osuu ilmaisimeen. Kuva 4 Radioaktiiviset näytteet 1, 2 ja 3 4
Käytetyt koejärjestelyt esitetään Kuvissa 5 ja 6. lmaisin ja säteilylähde kiinnitettiin koejärjestelyssä samaan kiskoon. Lähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä varioitiin liikuttamalla lähdettä. Etäisyydet mitattiin viivaimen avulla. Lyijy ja alumiinilevyjen ripustamista varten lähdetelineessä oli pieni ripustustanko. Kuva 5 Laitteisto voimakkuuden tutkimiseen Kuva 6 Laitteisto läpäisykyvyn tutkimiseen Mittauksissa käytetty säteilyilmaisin oli kytketty pulssilaskuriin ja kovaääniseen. Mittausaika kussakin mittauksessa oli 1 s. Ennen varsinaisia mittauksia mittasimme taustasäteilyksi 8 pulssia kymmenen sekunnin aikana. 5
Kuva 7 Pulssilaskuri ja kovaääninen Näyte 1 Taulukoissa 1 ja 2 esitetään näytteeseen 1 liittyvät mittaustulokset. Ensimmäisessä mittauksessa (Taulukko 1) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun säteilylähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä muutettiin (Kuva 5). Etäisyys (cm) Pulssit,4 3329,7 1214 1, 81 Taulukko 1 Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 1 lähettämä säteily heikkenee voimakkaasti, kun lähteen ja ilmaisimen välinen etäisyys kasvaa. Raportin palautteessa huomautettiin, että mittausetäisyyksiä saisi olla muutamia enemmän, sillä kolmesta mittauksesta on vaikea havaita sitä oleellista seikkaa, että säteilyn intensiteetti vähenee kynnyksenomaisesti, kun tietty etäisyys ylitetään. 6
Jälkimmäisessä mittauksessa (Taulukko 2) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun lähteen ja ilmaisimen väliin lisättiin paperia, muovia, alumiinia tai lyijyä (Kuva 6). Lähteen ja ilmaisimen etäisyys oli jälkimmäisessä mittauksessa vakio,4 cm. Lähteen ja imaisimen välissä Pulssit Johtopäätös paperi 81 ei läpäise paperia ohut muovikalvo 83 ei läpäise ohuttakaan muovikalvoa alumiinilevy (pakusuus 1,6 mm) 72 ei läpäise alumiinia lyijylevy (paksuus 1,6 mm) 11 ei läpäise lyijyä Taulukko 2 Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 1 lähettämä säteily ei läpäise paperia eikä mitään muutakaan taulukossa 2 mainittua ainetta. Näyte 2 Taulukoissa 3 ja 4 esitetään näytteeseen 2 liittyvät mittaustulokset. Ensimmäisessä mittauksessa (Taulukko 3) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun säteilylähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä muutettiin (Kuva 5). Etäisyys (cm) Pulssit,4 4513 1,1 2847 1,5 2185 3, 873 Taulukko 3 7
Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 2 lähettämä säteily heikkenee lähteen ja ilmaisimen välisen etäisyyden kasvaessa. Jälkimmäisessä mittauksessa (Taulukko 4) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun lähteen ja ilmaisimen väliin lisättiin paperia, muovia, alumiinia tai lyijyä (Kuva 6). Lähteen ja ilmaisimen etäisyys oli jälkimmäisessä mittauksessa vakio,4 cm. Lähteen ja imaisimen välissä Pulssit Johtopäätös paperi 447 heikkenee hieman, mutta läpäisee paperia ohut muovikalvo 3862 heikkenee, mutta läpäisee ohuen ohut muovilevy (paksuus 1 mm) 236 muovikerroksen muovilevy (paksuus 1,5 mm) 45 ei läpäise paksua muovikerrosta alumiinilevy (paksuus 1,6 mm) 2718 heikkenee, mutta läpäisee alumiinia lyijylevy (paksuus 1,6 mm) 11 ei läpäise lyijyä Taulukko 4 Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 2 lähettämä säteily läpäisee paperia, alumiinia sekä ohuen muovikerroksen. Näytteen 2 lähettämä säteily ei läpäise lyijyä. Näyte 3 Taulukoissa 5 ja 6 esitetään näytteeseen 3 liittyvät mittaustulokset. Ensimmäisessä mittauksessa (Taulukko 5) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun lähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä muutettiin (Kuva 5). 8
Etäisyys (cm) Pulssit,5 819 1, 587 1,5 47 4, 137 Taulukko 5 Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 3 lähettämä säteily heikkenee lähteen ja ilmaisimen välisen etäisyyden kasvaessa. Jälkimmäisessä mittauksessa (Taulukko 6) tutkittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden muuttumista, kun lähteen ja ilmaisimen väliin lisättiin paperia, muovia, alumiinia tai lyijyä (Kuva 6). Lähteen ja ilmaisimen etäisyys oli jälkimmäisessä mittauksessa vakio,5 cm. Lähteen ja imaisimen välissä Pulssit Johtopäätös paperi 835 läpäisee paperia ohut muovikalvu 812 läpäisee ohuen muovikalvon ohut muovilevy (paksuus 1 mm) 765 heikkenee, mutta läpäisee muovia muovilevy (paksuus 1,5 mm) 681 alumiinilevy (paksuus 1,6 mm) 82 läpäisee alumiinia lyijylevy (paksuus 1,6 mm) 747 heikkenee, mutta läpäisee lyijyä lyijylevy (paksuus 6,4 mm) 315 lyijylevy (paksuus 12,8 mm) 157 lyijylevy (paksuus 25,6 mm) 38 Taulukko 6 Mittaustulosten perusteella havaitaan, että näytteen 3 lähettämä säteily läpäisee kaikkia tutkittuja aineita. Poikkeuksena näytteistä 1 ja 2, näytteen 3 lähettämä säteily läpäisee myös lyijyä. 9
Etäisyyden vaikutuksesta, näytteet 1, 2 ja 3 Kaikki kokeessa käytetyt näytteet olivat rakenteeltaan samanlaisia ilmeisesti pistemäisiä säteilylähteitä. Jokaisen näytteen kohdalla havaittiin ilmaisimeen saapuvan säteilyn voimakkuuden heikkeneminen ilmaisimen ja lähteen välimatkan kasvaessa. Kuitenkin näytteen 1 lähettämän säteilyn heikkeneminen oli erilaista näytteiden 2 ja 3 lähettämän säteilyn heikkenemiseen verrattuna. Kokeessa saatujen tulosten perusteella näytteen 1 lähettämällä säteilyllä näytti olevan ilmassa tietty rajattu kantama, kun taas näytteiden 2 ja 3 lähettämät säteilyt heikkenivät jollakin tavalla etäisyyteen verrannollisesti. Väliaineen vaikutuksesta, näytteet 1, 2 ja 3 Kokeessa saatujen tulosten perusteella havaittiin, että ilma oli näytteen 1 lähettämälle säteilylle merkittävä väliaine, kun taas näytteiden 2 ja 3 lähettämät säteilyt läpäisivät ilmaa kuin sitä ei olisikaan. Näytteiden 1 ja 2 lähettämään säteilyyn verrattuna näytteen 3 lähettämä säteily oli hyvin läpitunkevaa, koska sen todettiin läpäisevän myös lyijyä. 1.2.2 Säteilyn käyttäytyminen magneettikentässä Kokeessa 1.2.2 tutkittiin kokeessa 1.2.1 käytettyjen näytteiden 2 ja 3 lähettämän säteilyn käyttäytymistä magneettikentässä. Voimakkaan heikkenemisen vuoksi magneettikentän vaikutusta näytteen 1 lähettämään säteilyyn ei voitu tutkia. Kokeessa käytettiin Kuvan 8 mukaista koejärjestelyä. Koejärjestelyssä säteilylähde kiinnitettiin asteikolla varustettuun pyöritettävään levyyn. Säteilylähteen ja ilmaisimena käytetyn käsimittarin (Kuva 9) väliin asetettiin hevosenkenkämagneetti. 1
Kuva 8 Magneettikenttä Kuva 9 Mittari Näyte 2 Asteikolla varustettua levyä ja siihen kiinnitettyä lähdettä pyöritettäessä havaittiin, että ilmaisimen vastaanottaman säteilyn voimakkuus riippui säteilylähteen asennosta ilmaisimeen nähden. Säteilyn voimakkuuden muutokset havaittiin korvakuulolla. 11
Alussa säteilylähde oli vaakatasossa (Kuvat 8 ja 1). Kierrettäessä lähdettä myötäpäivään asentoon, joka poikkesi 3 astetta vaakatasosta (Kuva 11) säteily heikkeni. Kierrettäessä lähdettä vastapäivään asentoon, joka poikkesi 3 astetta vaakatasosta säteily sen sijaan voimistui. Kierrettäessä lähdettä edelleen vastapäivään asentoon, joka poikkesi 5 astetta vaakatasosta säteily heikkeni. Havaintojen perusteella magneettikenttä vaikutti lähteen 2 lähettämän säteilyn kulkuun. Kenttä käänsi säteilyn kulkua kuten negatiivisesti varattujen hiukkasten suihkua. Kuva 1 Kuva 11 12
Liikkuva varattu hiukkanen magneettikentässä Kun varattu hiukkanen liikkuu magneettikentässä, kenttä vaikuttaa hiukkaseen voimalla, joka on kohtisuorassa sekä kenttää että hiukkasen kulkusuuntaa vastaan. Negatiiviseen hiukkaseen vaikuttavan voiman suunta saadaan vasemman käden säännön avulla: Keskisormi osoittaa magneettikentän suunnan. Etusormi osoittaa hiukkasen liikesuunnan. Peukalo osoittaa voiman suunnan. Koejärjestelyssä käytetyn hevosenkenkämagneetin (kuva 1) magneettikentän suunta oli kohtisuorasti tasoa vastaan ylhäältä alas. Kenttä käänsi säteilyn kulkua tulosuunnasta katsottuna kohtisuorasti oikealle. Vastapäivään käännettäessä 5 asteen tulokulmalla suurin osa säteilystä ilmeisesti kulki ilmaisimen ohi, tulosuunnasta katsottuna ilmaisimen vasemmalta puolelta. 3 asteen tulokulmalla suurin osa lähteen lähettämästä säteilystä ilmeisesti osui ilmaisimeen. Vaakasuorassa asennossa suurin osa säteilystä ilmeisesti kulki ilmaisimen ohi, tulosuunnasta katsottuna ilmaisimen oikealta puolelta. Myöskin myötäpäivään käännettäessä 3 asteen tulokulmalla suurin osa lähteen lähettämästä säteilystä ilmeisesti kulki ilmaisimen ohi, tulosuunnasta katsottuna ilmaisimen oikealta puolelta. Näyte 3 Asteikolla varustettua levyä ja siihen kiinnitettyä lähdettä pyöritettäessä havaittiin, ettei käsimittarin ilmaisema säteilyn voimakkuus millään tavalla riippunut säteilylähteen asennosta käsimittariin nähden. Havaintojen perusteella magneettikenttä ei vaikuttanut lähteen 3 lähettämään säteilyyn. 13
1.2.3 Säteilyn lajit Kokeiden 1.2.1 ja 1.2.3 perusteella säteilyä näyttää olevan kolmea eri lajia: 1. Ei läpäise edes paperia. Läpäisee ilmaa vain noin senttimetrin mittaisen matkan. (Näyte 1) 2. Läpäisee paperia ja muita keveitä aineita. Ei läpäise lyijyä. Kääntyy magneettikentässä kuten negatiivisesti varattujen hiukkasten suihku. (Näyte 2) 3. Läpäisee paperia ja muita keveitä aineita hyvin. Läpäisee myös lyijyä. Säteilyn voimakkuus heikkenee, kun lyijykerrosta paksunnetaan. Magneettikenttä ei vaikuta säteilyn kulkuun. (Näyte 3) Nimetään nämä säteilylajit alfa-, beeta- ja gammasäteilyksi. Kokeissa käytettiin säteilylähteinä Danish atomic energy commissionin valmistamia näytteitä: á-säteilylähde, Americium 241; â-säteilylähde, Strontium 9 ja ã-säteilylähde, Cesium 137 14
2. ESKVANTFOVA KVANTFOVA KOKETA 2.1 Heikkenemislait 2.1.1 Etäisyyden vaikutus, beeta- ja gammasäteilyn heikkeneminen etäisyyden funktiona Kokeessa 2.1.1 tutkittiin, miten beeta ja gammasäteilyn voimakkuus heikkenee lähteestä mitatun etäisyyden funktiona. Koejärjestely esitetään Kuvassa 12. lmaisin ja säteilylähde kiinnitettiin koejärjestelyssä samaan kiskoon. lmaisin oli kytketty pulssilaskuriin kuten kokeessa 1.2.1. Lähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä varioitiin liikuttamalla lähdettä. Etäisyyksien määrittämistä varten kiskoon piirrettiin viivaimen avulla asteikko. Arvelimme kiinteän asteikon lisäävän mittaustarkkuutta sekä helpottavan mittauksien suorittamista. Kuva 12 Beetasäteily Mittaustulokset esitetään Taulukossa 7. Taulukossa r on ilmaisimen etureunasta lähteeseen mitattu etäisyys ja on 1 sekunnin aikana saatujen pulssien lukumäärä. Mittaustulokset esitetään graafisesti Kuvassa 13. 15
r(cm) 1,2 48 1,55 3246 2,25 2121 2,8 164 3,3 1196 3,6 124 4,5 845 4,5 71 4,9 619 5,3 551 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 r (cm) Taulukko 7 Kuva 13 Beetasäteily Esitetään mittaustulokset (1/r 2 )-koordinaatistossa, jolloin saadaan Kuvassa 14 esitetty kuvaaja. 1/r 2,694444 48,416233 3246,197531 2121,127551 164 5 4,91827 1196,7716 124,6966 845,49383 71,41649 619,356 551 3 2 1,2,4,6,8 1/r 2 Taulukko 8 Kuva 14 Beetasäteily 16
Kuvassa 14 esitetyn kuvaajan muoto on seurausta systemaattisesta virheestä vastaanottimen paikan määrittämisen yhteydessä. Geiger-putkea käytettäessä on mahdotonta arvata ennalta, missä putken kohdassa säteily keskimäärin vuorovaikuttaa putken kaasun kanssa. Säteilykvantti saattaa kulkea putkessa periaatteessa minkä tahansa matkan tuloikkunasta peräseinään saakka, ennen kuin törmää kaasumolekyyliin. Virhettä mittaustuloksiin aiheuttivat myös epätarkat viivaimella suoritetut pituusmittaukset. Lisäksi ilmaisimena käytetty Geiger-putki oli käytettyihin etäisyyksiin verrattuna liian pitkä. Etäisyyksien määrittämisessä aiheutuneen virheen vaikutusta voidaan pienentää esittämällä mittaustulokset (r, Kuva 15). )-koordinaatistossa (Taulukko 9 ja r(cm) 1 / 1,2,15796 1,55,17552 2,25,21713 2,8,24969 3,3,28916 3,6,3125 4,5,3441 4,5,37529 4,9,4193 5,3,4261,5 1/( ) 1/2,4,3,2,1 1 2 3 4 5 6 r (cm) Taulukko 9 Kuva 15 Beetasäteily 2 2 Kuvaajan 15 perusteella beetasäteilylle pätee 1/ ~ r 1/ ~ r ~ 1/ r. 17
1 Raportin palautteessa huomautettiin, että ( r, ) ja ( 2, ) - kuvaajien pisteisiin r on sovitettu käyrät. ( r, ) -kuvaajassa käyrä ei sovi pisteisiin kovin hyvin, joten jokin muu sovitusfunktio olisi parempi. Gammasäteily Mittaustulokset esitetään Taulukossa 1. Taulukossa r on ilmaisimen etureunasta lähteeseen mitattu etäisyys ja on 1 sekunnin aikana saatujen pulssien lukumäärä. Mittaustulokset esitetään graafisesti Kuvassa16. r (cm) 1,2 869 1,55 68 2,25 459 2,8 287 3,3 28 3,6 22 4,5 185 4,5 166 4,9 141 5,3 121 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 r (cm) Taulukko 1 Kuva 16 Gammasäteily 18
Kuten beeta-säteilynkin kohdalla, tulokset kannattaa esittää (r, 1/ )- koordinaatistossa, jolloin saadaan Kuvassa 17 esitetty kuvaaja. r(cm) 1 / 1,2,33923 1,55,4555 2,25,46676 2,8,5928 3,3,59761 3,6,6742 4,5,73521 4,5,77615 4,9,84215 5,3,999 1/( ) 1/2,1,8,6,4,2 2 4 6 r (cm) Taulukko 11 Kuva 17 Gammasäteily Kuvaajan 17 perusteella myös gammasäteilylle pätee 1/ ~ r r 2 2 1/ ~ r ~ 1/. 2.1.2 Väliaineen vaikutus, alfakantama ilmassa Perushahmottavassa kokeessa 1.2.1 havaittiin kaksi erilaista väliaineen vaikutusta: Säteilyllä voi olla väliaineessa melko tarkasti määräytyvä kantama, jonka ulkopuolella säteilyä ei havaita (esim. alfasäteily kantama ilmassa, Taulukko1). Tai säteilyllä ei välttämättä ole maksimikantamaa, vaan ainekerroksen paksuus heikentää säteilyä jollain ilmeisen säännönmukaisella tavalla (esim. gammasäteily lyijyssä, Taulukko 12 ja Kuva 18). 19
Lyijykerroksen paksuus(mm) 1,6 747 6,4 315 12,8 157 25,6 38 1 8 6 4 2 5 1 15 2 25 3 lyijykerroksen paksuus (mm) Taulukko 12 Kuva 18 Kokeessa 2.1.2 tutkittiin alfa-säteilyn kantamaa ilmassa. Koejärjestely oli Kuvan 19 mukainen. lmaisin ja säteilylähde kiinnitettiin koejärjestelyssä samaan kiskoon. lmaisin oli kytketty pulssilaskuriin kuten kokeessa 1.2.1. Lähteen ja ilmaisimen välistä etäisyyttä varioitiin liikuttamalla lähdettä. Etäisyydet määritettiin kiskoon piirretyn kiinteän asteikon avulla Kuva 19 Mittaustulokset esitetään Taulukossa 13. Taulukossa r on lähteen ja ilmaisimen välinen etäisyys ja on 1 sekunnin aikana saatujen pulssien lukumäärä. Etäisyyttä määritettäessä otettiin huomioon se, että alfa-säteily heikkenee myös Geiger-putken ikkunassa. kkunaa vastaavan ilmakerroksen paksuudeksi arvioitiin 1, cm. Tulokset esitetään graafisesti Kuvassa 2. 2
r (cm) 1,25 3413 1,35 361 1,5 2358 1,65 1394 1,85 384 2,1 59 2,25 45 4 3 2 1,5 1 1,5 2 2,5 r (cm) Taulukko 13 Kuva 2 Kuvan 2 perusteella tutkitun alfa-lähteen lähettämän säteilyn kantama ilmassa on noin 2 cm. Kun otetaan huomioon, että alfojen piti kokeessa läpäistä myös Geiger-putken ikkuna, joka käytetyllä putkella vastaa noin 1 cm ilmakerrosta, saadaan kantamaksi noin 3 cm. 2.1.3 Väliaineen vaikutus, gammasäteilyn heikkeneminen lyijyssä Kokeessa 2.1.3 tutkittiin gammasäteilyn heikkenemistä lyijyssä. Koejärjestely oli Kuvan 21 mukainen. lmaisin ja säteilylähde kiinnitettiin koejärjestelyssä samaan kiskoon. lmaisin oli kytketty pulssilaskuriin kuten kokeessa 1.2.1. Lyijylevyjen ripustamista varten lähdetelineessä oli pieni ripustustanko. Lähteen ja ilmaisimen välinen etäisyys kokeessa oli noin 3,5 cm. 21
Kuva 21 Mittaustulokset esitetään Taulukossa 14. Taulukossa d on lyijykerroksen paksuus ja on 1 sekunnin aikana saatujen pulssien lukumäärä. Tulokset esitetään graafisesti Kuvassa 22. d (cm) 16 68 14,4 8 12,8 93 11,2 97 9,6 18 8 127 6,4 152 4,8 186 3,2 226 1,6 242 276 Taulukko 14 3 25 2 15 1 5 5 1 15 2 Kuva 22 d (cm) 22
Tuloksista havaitaan, että ilmaisimeen saapuneiden pulssien määrä putoaa noin puoleen, kun ainekerroksen paksuus kaksinkertaistetaan. Raportin palautteessa huomautettiin, että kuvasta 22 on vaikea hahmottaa, että ilmaisimeen saapuneiden pulssien määrä putoaa noin puoleen, kun ainekerroksen paksuus kaksinkertaistetaan. Käyttämämme lyijykerros on paksuimmillaan vain noin kaksi puoliintumispaksuutta vaikkakin tilaa ja lyijyä olisi ollut paksummalle kerrokselle. Kun esitetään tulokset (d, - ln / ) -koordinaatistossa (Kuva 23) havaitaan, että gammasäteilylle lyijyssä pätee - ln ( ) ~ d µ d ln ( ) ~ d ln( ) = µ d = e = e d 1,5 -ln / 1,5 5 1 15 2 d (cm) Kuva 23 Virhettä mittaustuloksiin aiheutti se, etteivät lyijylevyt olleet täsmälleen saman paksuisia. Käytimme tulosten käsittelyssä levyn keskimääräistä paksuutta 1,6 mm. 23
3. HAJOAMNEN 3.1 Hajoamislaki Hajoamislain tutkimisessa käytettiin kahta preparaattia, joilla saatiin erotettua annos sopivan lyhytikäistä isotooppia, joiden hajoamista voitiin tutkia, rekisteröimällä näytteiden aktiivisuuden vaimenemista ajan funktiona. Tutkittavat isotoopit olivat Ba-137 ja Pa-234m. Kokeessa käytetyt näytteet valmistettiin seuraavalla tavalla. Koe 3.1 Ba-137m isotooppia valmistettiin Cs-137 -preparaatista, josta erotettiin eluoimalla cesiumin tytärtä, Ba-137m -isotooppia. Näyte valmistettiin ottamalla ruiskuun n. 2 ml eluointiliuosta (Kuva 24 ja 26). Ruisku asetettiin kiinni kapseliin ja poistettiin kapselin pohjassa oleva tulppa (Kuva 25 ja 26). Eluointiprosessi aloitettiin painamalla ruiskun mäntää, jolloin kapselin alle asetettuun pieneen kuppiin saatin näytettä, joka sisälsi eluointinesteeseen liuenneena Ba-137m isotooppia. (Kuva 27). Kuva 24 Eluointiliuos 24
Kuva 25 Eluointi Kuva 26 Näytteen valmistusohje Kuva 27 Valmis Ba-137m isotooppinäyte 25
Eluoinnin suorittamisessa täytyi olla nopea ja koko prosessiin tuli käyttää ainoastaan 1-2 sekuntia ja mittaaminen tuli aloittaa välittömästi. Saatu näyte oli gamma-aktiivinen ja sen aktiivisuus oli sangen korkea, mikä on mittausten kannalta hyvä asia. Eluoinnissa ja näytteen käsittelyssä täytyi noudattaa huomattavaa varovaisuutta eli käsittelyn aikana käytettiin suojahanskoja ja kokeen jälkeen näyte ja käytetyt hanskat olivat asianmukaisesti hävitettävää radioaktiivista jätettä. Koe 3.2 Pa-234m isotooppia ei tarvinnut erikseen valmistaa, vaan preparaatti oli täysin suljettu kapseli, jossa oli kahta toisiinsa liukenematonta, eri tiheyden omaavaa nestettä (Kuva 28) Preparaatissa U-238 on tiheämmässä nesteessä liuenneena uraaninitraattina ja uraanin hajoamistuotteena syntyy koko ajan Pa-234m:aa. Nesteet voitiin sekoittaa kapselia ravistelemalla, jolloin protaktinium liukeni keveämpään nesteeseen. Kun ravistaminen lopetettiin niin kevyt neste nousi raskaan pinnalle, ja mittaamalla voitiin tutkia Pa-234m:n hajoamista keveämmässä nesteessä. Pa-234m on beta-aktiivista ja sen aktiivisuus on matalahko, mutta preparaatin käsittely on helppoa ja turvallista, eikä kokeessa synny jätettä. Kuva 28 Pa-234m näyte Molempien kokeiden mittausvaihe suoritettiin samalla tavalla. Heti kun näyteet oli saatu valmistettua ne asetettiin välittömästi mittaustelineeseen (koska 26
näytteen aktiivisuus pieneni koko ajan). (Kuvat 27 ja 28). Mittauslaitteistossa käytettiin ilmaisinta joka oli kytketty pulssilaskuriin (Kuva 29). Mittauslaitteisto mittasi näytteen lähettämiä pulsseja 1 sekunnin ajan. Näitä mittauksia suoritettiin puolen minuutin välein (1 sekunnin mittaus ja 2 sekunnin odotus) kunnes havaittiin, ettei pulssilaskurin lukema enää muuttunut. Kuva 29 Pulssilaskuri Saadut tulokset taulukoitiin ( Taulukot 15 ja 16) ja havaittiin, että tuloksista piirretty kuvaaja (t, ) koordinaatistossa (kuvat 3 ja 31) ei ole suora, mutta (t, ln ) -koordinaatistossa kuvaaja on laskeva suora ln ln λt. (Kuva 32). = Kuvaajista havaittin myös, että eri preparaateilla saatiin eri kulmakerroin. 27
t(s) (kpl) ln 59 6,232448 3 59 6,232448 6 47 6,8813 9 372 5,918894 12 31 5,7711 15 289 5,666427 18 27 5,598422 21 219 5,38972 24 189 5,241747 27 183 5,29486 3 146 4,98367 33 136 4,912655 36 118 4,77685 39 111 4,7953 42 94 4,543295 45 97 4,574711 48 7 4,248495 51 67 4,24693 Taulukko 15 Hajoamislaki, Ba 137-m t(s) (kpl) ln 165 5,15945 3 151 5,1728 6 12 4,624973 9 93 4,532599 12 58 4,6443 15 71 4,26268 18 56 4,25352 21 31 3,433987 24 36 3,583519 27 22 3,9142 3 14 2,63957 Taulukko 16 Hajoamislaki, Pa 234-m 28
6 Ba-137m 5 4 3 2 y = 525,94e -,41x 1 1 2 3 4 5 6 t(s) Kuva 3 Hajoamislaki, Ba 137-m 2 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Pa-234m y = 179,22e -,77x 1 2 3 4 t(s) Kuva 31 Hajoamislaki, Pa 234-m 29
Ba-137m ja Pa-234m ln 7 6 5 4 3 2 1 y = -,41x + 6,2652 Ba-137m Pa-234m y = -,77x + 5,1886 1 2 3 4 5 6 t(s) Kuva 32 Hajoamislaki, Ba 137-m ja Pa 234-m Oletetaan, että havaitun säteilyn voimakkuus on verrannollinen hajoavan aineen määrään, N = b. Sijoittamalla tämä havaittuun kokeelliseen lakiin saadaan ln N = ln N λt, ja edelleen aineen hajoamista kuvaava laki N λt = N e. Nimetään ainekohtainen suure ë hajoamisvakioksi. 3.2 Puoliintumisaika Edellä suoritetun päättelyn mukaan voidaan sanoa radioaktiivisen näytteen aktiivisuuden pienevän yhtä pitkinä aikaväleinä suhteellisesti yhtä paljon. Tutkitaan seuraavaksi aikaa, jolloin näytteen aktiivisuus pienenee puoleen. Tutkimalla Ba-137m:n (t,)- kuvaajaa (Kuva 3) huomataan näytteen aktiivisuuden puoliintuvan pariin kertaan. Alkuperäinen aktiivisuus puolittuu suurinpiirtein ajassa 178 s ja toisen kerran ajassa 144 s. Laskettaessa näiden keskiarvo saadaan Ba-137m:n puoliintumiseen kuluvaksi ajaksi 161 s. Toistamalla tämä tarkastelu Pa-234m:n (t,)- kuvaajalle (Kuva 31), saadaan ajoiksi 88 s ja 94 s, jolloin keskiarvoksi tulee on 91 s. Nimetään nämä 3
keskiarvot ainekohtaiseksi suureeksi τ, puoliintumisaika. Puoliintumisaika on siis aika jona näytteen aktiivisuus pienentyyy puoleen alkuperäisestä. Puoliintumisaika voidaan laskea myös kaavalla τ = (ln 2) λ. Laskemalla kokeissa käytettyjen näytteiden puoliintumisajoiksi saadaan: Ba-137m: τ 1 = (ln 2) /(,41 ) = 169s s Pa-234m: τ 1 = (ln 2) /(,77 ) = 9s s Verrattaessa saatuja puoliintumisaikoja taulukkoarvoihin; τ (Ba-137m)=156 s ja τ (Pa-234m)=7,2s voidaan koetta pitää melko hyvin onnistuneena. 4. SPEKTROSKOPA Spektroskopia on menetelmä, jolla näyte voidaan analysoida sen lähettämän spektrin avulla. Menetelmä perustuu siihen, että sähkömagneettisen säteilyn eri taajuudet taittuvat ja taipuvat hieman eri tavoin. Taittumisessa muodostuvasta spektristä voidaan päätellä säteilyn sisältämät aallonpituudet eli säteilyn komponentit. Radioaktiivista ainetta sisältävistä näytteistä tutkitaan niiden lähettämän gammasäteilyn spektriä. Gammasäteily on kvantittunutta ja se lähettää sille ominaisia energiakvantteja, yhden kvantin energian ollessa E = hf = hc. λ Gammasäteilyä syntyy, kun atomin ydin siirtyy energiatilalta toiselle. Koska ytimien lähettämä gammaspektri on diskreetti, ytimissä on oltava tiettyjä diskreettejä energiatasoja samaan tapaan kuin elektroneilla on diskreettejä energiatasoja atomeissa. Ytimen energiatasot ovat kullekin ytimelle 31
tunnusomaisia, joten ytimien gammaspektriä tutkimalla voidaan selvittää, mistä ytimestä on kyse. Laboratoriotöissä voidaan mitata joidenkin radioaktiivisten ydinten lähettämän gammasäteilyn spektrit tietokonepohjaisen monikanava-analysaattorin avulla. Mittausten ensimmäisessä vaiheessa laitteisto kalibroidaan käyttämällä gammaenergioiltaan tunnettuja ytimiä, ja toisessa vaiheessa mitataan tutkittavien ydinten spektrit, joista määritetään gammaemissiopiikkien energiat. Kirjallisuudesta etsitään tutkittavien ytimien hajoamiskaaviot ja verrataan niitä mitattuihin spektreihin. 32
5. TYÖPROSESSN KUVAUS Valitsimme aihekokonaisuuden 19, radioaktiivisuus, sen jälkeen kun olimme päättäneet tehdä fysiikan historian seminaariesitelmän Marie Curiesta, koska se lisäsi kiinnostusta aihetta kohtaan. Olimme lukeneet kesän aikana Curien tutkimuksista kirjasta Äitini Marie Curie, joten elokuun intensiivijakson laboratoriovuorolla tehdyistä töistä useat vastasivat Curien tekemiä kokeita ja selvensivät lukemaamme. Aiheen valinta oli siis yksimielinen eikä muita vaihtoehtoja edes harkittu. Kiireisen kesän vuoksi emme olleet ehtineet tehdä suunnitelmaa ennen työvuorolle tulemista, vaan työskentelimme suoraan web-sivujen ohjeiden mukaan. Palauttamamme suunnitelma oli jo raakaversio tulevasta raportista ja unohdimme sen vuoksi liittää siihen mukaan käsitekartan. Web- sivujen lisäksi käytimme suunnitelman/raportin laatimiseen Galilei-kirjasarjaa sekä muita oppikirjoja. Kokonaisuuden töihin liittyvää laitteistoa oli mielestämme helppo käyttää. Varoitteluista huolimatta emme kokeneet ongelmaksi hajoamislain tutkimisen yhteydessä sitä, että samaan aikaan piti pystyä mittaamaan aikaa, nollamaan pulssilaskuri sekä kirjaamaan tulokset ylös. Töiden tekemiseen oman jännityksen toi tietenkin se, että kyseessä olivat radioaktiiviset aineet, jolloin tiettyä varovaisuutta tuli noudattaa, varsinkin eluointia tehtäessä. Jokaisen kokeen yhteydessä yritimme ennen kokeen suorittamista miettiä, mitä kokeessa tulisi tapahtumaan ja minkälaisia tuloksia tulisimme mahdollisesti saamaan. Päättelimme onnistuiko koe, kokeen kulkua tarkkailemalla. Tässä kokonaisuudessa tuloksien oikeellisuuden seuranta oli sinänsä helppoa koska yleensä tiesi pitikö pulssien lukumäärän vähetä vai pysyä samana. Olemme erittäin tyytyväisiä että valitsimme kyseisen aihekokonaisuuden, sillä 33
se oli opettavainen ja töitä oli kiva tehdä, sillä kerrankin oli levollinen olo eikä missään vaiheessa tullut paniikkia kuten kaikissa aikaisemmissa kokonaisuuksissa. Erittäin selventävänä demonstraationa pidimme työtä, jossa tutkittiin mahdollisuutta havaita säteilyä sen avulla, että säteily muuttaa ilman sähkönjohtokykyä. Tämä työ auttoi ymmärtämään mitä kirjasta lukemamme ionisoiva säteily oikein tarkoittaa. Kummankaan meidän kouluissamme ei ole mahdollista tehdä vastaavia kokonaisuuden kokeita, koska tarvittavia välineitä ei ole käytössä. Tämän jälkeen on kuitenkin helpompi selittää oppilaille näitä ajatuskokeita kun on ne kerran itse tehnyt ja nähnyt mitä niissä todella tapahtuu. Suunnitelman/raportin laatimista olisi jälleen kerran helpottanut se, että olisimme kirjoittaneet sen heti töiden tekemisen jälkeen. Kolmen kuukauden jälkeen on erittäin vaikea muistaa töittein yksityiskohtia muistiinpanoista huolimatta. Onneksi otimme kuitenkin paljon kuvia digitaalikameralla, jolloin mieleen palautui mitä työssä varsinaisesti tehtiin. Käsittelimme tulokset ja laadimme raportin sähköpostin välityksellä yhdessä, kuten olemme aikaisemminkin tehneet ja havainneet sen toimivaksi. Vaikka tämä tapa on hitaampi ja työläämpi niin sen etuna on se, että koko aihealue tulee tutuksi kummallekin. 34
LÄHTEET Fysiikka 5, Moderni fysiikka,tammi, 2 Fundamentals of physics, Wiley, 1997 Galilei 1, Weilin+Göös 1999 Galilei 8, Weilin+Göös 1999 http://didactical.physicshelsinki.fi/opelab/19kokon/index.html 35