Edukacyjne liczniki Geigera-Müllera

Edukacyjny Licznik Geigera-Müllera to bardzo prosty detektor promieniowania jonizującego. Ze względu na swoją budowę nie nadaje się do wykrywania promieniowania alfa oraz niskoenergetycznego promieniowania beta. Czuły jest natomiast na promieniowanie gamma oraz wysokoenergetyczne promieniowanie beta. Od profesjonalnych urządzeń różni się także tym, że nie jest skalibrowany.

Detektor składa się z kilku elementów: detektora właściwego czy też elementu czynnego (widoczny jako metalowa tuba); układu podającego wysokie napięcie na tubę oraz modułu Arduino zliczającego impulsy i odpowiedzialnego za przesyłanie informacji o zarejestrowanych impulsach na wyświetlacz, głośnik lub poprzez kabel USB do komputera.

Zasada działania detektora Geigera-Müllera

Sercem detektora jest element czynny. Jego zewnętrze stanowi metalowa tuba, w której środku znajduje się cienki drucik. Między nim a obudową przyłożone jest wysokie napięcie. Obudowa jest katodą, a drucik w środku - anodą. Jeśli we wnętrzu tuby pojawią się obiekty naładowane: dodatnie jony i elektrony (np. dzięki jonizacji atomów gazu przez promieniowanie jonizujące), to do anody będą przyciągane elektrony, a do katody jony. Czyli pomiędzy katodą i anodą przepłynie prąd. Dzięki wysokiemu napięciu przyłożonemu pomiędzy katodą i anodą elektrony przyspieszają tak bardzo, że jonizują kolejne atomy, co powoduje znaczne wzmocnienie sygnału i umożliwia jego rejestrację.

W liczniku edukacyjnym impuls wytworzony przez promieniowanie w tubie detektora przetwarzany jest przez płytkę elektroniczną i przekazywany do mikrokontrolera na płytce Arduino, który zlicza kolejne impulsy, a informacje przesyła na wyświetlacz, do głośniczka oraz do komputera (jeśli detektor jest podłączony przez kabel USB).

Samodzielne pomiary

Edukacyjny licznik Geigera-Müllera mimo pewnych ograniczeń umożliwia przeprowadzenie kilku interesujących pomiarów.

• Dzięki pomiarom naturalnej promieniotwórczości można się przekonać, że żyjemy w morzu promieniowania.
  • Można badać naturalnie występujące próbki o zwiększonym poziomie promieniowania, o których można poczytać w następnym rozdziale – „Źródła naturalnej promieniotwórczości”.
  • Można badać materiały, do których dodano naturalnie występujące izotopy promieniotwórcze, jak np. elektrody spawalnicze domieszkowane torem, koszulki Auera, szkło uranowe czy zegarki z farbą radową.
• Detektory pozwalają zbadać, jak zmienia się promieniowanie na skutek zastosowania osłon:
  • Można sprawdzić jak grubość osłony z jednego materiału wpływa na osłabienie poziomu promieniowania
  • Można porównać osłony o tej samej grubości, ale zrobione z różnych materiałów
  • Można wyznaczyć grubość połówkową materiału, z którego zrobiona jest osłona
• Można sprawdzić, jak poziom promieniowania maleje z odległością. Porównując pomiary dla źródła punktowego (jak np. zegarek) i liniowego (elektroda spawalnicza) można sprawdzić, czy ta zależność zależy od geometrii próbki.
• Jeśli dysponuje się dwiema bardziej radioaktywnymi próbkami (jak np. zegarek z farbą radową lub koszulka Auera), można spróbować wyznaczyć czas martwy detektora.

Dokładniejsze opisy ćwiczeń możliwych do przeprowadzenia znajdują się w zakładce „Materiały do pobrania”.

Źródła naturalnej promieniotwórczości

W przyrodzie naturalnie występuje kilkadziesiąt izotopów promieniotwórczych. Część z nich znajduje się w skorupie ziemskiej od momentu powstania Ziemi (m.in. U-238, U-235, Th-232, K-40), a część jest na bieżąco produkowana: czy to przy rozpadzie trzech pierwszych izotopów i ich potomstwa (patrz np. Wikipedia - szeregi promieniotwórcze), czy to w reakcji promieniowania kosmicznego z jądrami atomowymi w atmosferze (C-14 i tryt czyli H-3).

Potas K-40

Tak rozpowszechniony pierwiastek jak potas, także ma naturalny izotop radioaktywny - K-40. Na 1 mln atomów potasu średnio 117 to atomy radioaktywnego potasu-40. Zatem wszystkie związki chemiczne, substancje, minerały, które zawierają potas, będą emitować promieniowanie. Potas występuje m.in. w wielu produktach spożywczych (warzywach, owocach, mięsie), a także w naszych ciałach.

Uran U-238, U-235 i tor Th-232

W skorupie ziemskiej od samych początków istnienia Ziemi znajdują się także radioaktywne izotopy uranu i toru. Związki toru i uranu są bardzo rozpowszechnione. Można je znaleźć absolutnie wszędzie. Są miejsca na świecie nieco bogatsze w uran lub tor i nieco uboższe. Dlatego też skały w niektórych miejscach na świecie są wyraźnie bardziej radioaktywne niż w innych miejscach. Takimi szczególnie ciekawymi miejscami, charakteryzującymi się wysokim naturalnym poziomem promieniowania są: miejscowość Ramsar w Iranie, plaża Guarapari w Brazylii oraz plaża w Karunagappally (stan Kerala w Indiach).

Węgiel C-14

Wspomniane do tej pory radioaktywne izotopy występujące w skorupie Ziemi znajdują się tam od samego początku jej istnienia. Niektóre z izotopów radioaktywnych, jak np. węgiel C-14 są na bieżąco produkowane w górnych warstwach atmosfery. Węgiel C-14 ma własności chemiczne takie same jak stabilny węgiel C-12 czy C-13 i w taki sam sposób reaguje z innymi pierwiastkami, np. z tlenem. Dwutlenek węgla z radioaktywnym węglem C-14 może potem zostać wbudowany w organizm rośliny (podobnie jak zwykły dwutlenek węgla), a następnie po spożyciu przez roślinożercę będzie wbudowany w jego tkanki. Zawartość radioaktywnego węgla C-14 jest jednak naprawdę znikoma, więc niestety niewykrywalna za pomocą detektora edukacyjnego.

Radon Rn-220 i Rn-222

Osoby zainteresowane przemysłem i pracami kopalni, zapewne słyszały o radioaktywnym gazie radonie. Radon gromadzi się w słabo wietrzonych pomieszczeniach, piwnicach, jaskiniach oraz kopalniach. Pojawia się pytanie, skąd on się tam bierze. Żeby to wyjaśnić, trzeba na moment wrócić do uranu oraz toru. Izotopy obu pierwiastków rozpadają się. Uran-238 rozpada się do toru-234, który też jest niestabilny, zatem rozpada się. Otrzymany izotop potomny protaktyn Pa-234 również jest niestabilny. W tej sytuacji mówimy o tzw. szeregu promieniotwórczym. Okazuje się, że zaczynające cały szereg jądro uranu U-235 powoduje powstanie aż czternastu jąder potomnych i dopiero ostatnie jądro jest stabilne. Po drodze powstaje radioaktywny radon-222. W szeregu radioaktywnym zaczynającym się od toru-232 pojawia się natomiast radon-220. Radon to gaz, do tego szlachetny, zatem nie wchodzi w reakcje z innymi atomami skał i może się gromadzić w postaci gazowej np. w kopalniach.

Miony - cząstki promieniowania kosmicznego

Oprócz wspomnianych powyżej izotopów, które są naturalnymi źródłami promieniowania, do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie kosmiczne. Część rozpędzonych protonów przybywających do nas ze Słońca czy innych zakątków Kosmosu zderza się z atomami górnej warstwy atmosfery, gdzie powstają przeróżne cząstki tzw. promieniowania wtórnego. Część z tych cząstek dociera do powierzchni Ziemi. Cząstki, które docierają do powierzchni Ziemi, mają swój wkład w naturalne promieniowanie tła.