Tågekammer | Rapport i Fysik B

Side 1

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

HTX 2. år

Eksamensrapport -

Tågekammeret

Fysik B

[navn fjernet] og [navn fjernet] 2.g1

Rapport og forsøg udført i perioden: 5-04-2010 til 23-4-2010

HTX 2. år

Side 2

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Indholdsfortegnelse

Indledning .......................................................................................................................................................... 3 Formål ................................................................................................................................................................ 3 Teori ................................................................................................................................................................... 3 Radioaktivitet ................................................................................................................................................ 3 Strålingstyper ............................................................................................................................................. 4 Overmætning ................................................................................................................................................. 5 Geiger-Müller rør ........................................................................................................................................... 6 Scintillationsdetektor .................................................................................................................................... 6 Tøris ............................................................................................................................................................... 6 Tågekammeret............................................................................................................................................... 7 Materialer .......................................................................................................................................................... 8 Forsøgsudførelse ............................................................................................................................................... 8 Resultater .......................................................................................................................................................... 8 Fejlkilder ............................................................................................................................................................ 9 Konklusion ......................................................................................................................................................... 9 Evaluering ........................................................................................................................................................ 10

Side 3

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Indledning

Selve ideen til denne rapport og forsøg er taget fra orbitbhtx.systime.dk, hvorfra vi fik at vide at vi kunne vælge en af de mange opgaver eller emner som vores eksamensrapport skulle handle om.

Vi valgte da tågekammeret da vi begge i gruppen mente at det ville være et interessant forsøg at udføre, samt teorien bag forsøget ville være spændende at udforske.

Formål

Formålet med dette forsøg er at opstille et tågekammer og bruge dette til at detektere stråling fra en Ra-226 alfakilde. Vi vil også undersøge de forskellige fysiske principper bag tågekammeret, for at opnå den nødvendige viden samt for at få en bedre forståelse af hvad der egentlig sker i et tågekammeret under forsøget.

Teori

For at kunne forklare hvad der egentligt sker i tågekammeret ved udførelsen af forsøget, er der nogle helt grundlæggende fysiske principper man skal kende. Alle de følgende fysiske principper beskrives individuelt og derefter vil vi ved underpunktet ”Tågekammeret” samle op på de forskellige fysiske principper og forklare hvordan de ”arbejder sammen” i en højere enhed.

Radioaktivitet

Alt på jorden, og hele universet for den sags skyld, bliver konstant udsat for stråling fra mange forskellige kilder; kilder så som kosmisk stråling fra verdensrummet, røntgenstråling og radioisotoper. Radioisotoper er radioaktive stoffer som udsender stråling fra atomkernen, og strålingen kan enten være partikler eller elektromagnetisk stråling. Alle disse former for stråling fra kilder der ikke nødvendigvis er på jorden kaldes for baggrundsstråling.

Når radioaktive stoffer henfalder, så udsender stoffet stråling i form af partikler, og stoffet vil derfor blive omdannet til et andet stof, altså stoffet vil få en såkaldt grundstofsforvandling. Grunden til at radioaktivitet finder sted er, at det radioaktive stofs atomkerne er i ubalance, altså antallet af protoner og neutroner er ikke ens. Alle stoffer har en halveringstid, men ikke alle stoffer bliver kaldt for radioaktive stoffer. Man har defineret alle stoffer med over 83 protoner er ustabile og hermed radioaktive. Der er enormt stor forskel på hvor meget radioaktivt et stof er. Stærke radioaktive stoffer har en kort halveringstid, og omvendt så har svage radioaktive stoffer en lang halveringstid. Et eksempel på et stof med en lang

halveringstid kan være^{238} U som har en halveringstid på hele 4.5 mia. år., og et eksempel på at stof
med en kort halveringstid kan være^{131} J som har en halveringstid på blot 8.2 dage.

Side 4

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Viden og inspiration til dette afsnit er hentet fra:

http://www.akraft.dk/radioakt.htm#radio
http://da.wikipedia.org/wiki/Radioaktivitet

Strålingstyper

Der findes flere former for stråling, hvoraf vi kommer ind på alfa, beta- og gammastråling da de former for stråling er de mest væsentlige for vores forsøg.

Alfastråling er kort sagt heliumkerner, der ved en meget stor mængde af energi bliver udsendt fra hyppigst runge radioisotoper. Når der forsvinder to protoner fra kernen bliver datterkernen til det grundstof med et atomnummer der er to lavere. Desuden bliver atomvægten bliver da fire lavere, da der forsvinder to neutroner samt to protoner. Det der kendetegner alfastråler er at strålerne

har en meget kort rækkevidde. I luft er rækkevidden på alfastråler kun ca. 4 cm og kun 1/100 mm

hos levende væv (såsom menneskehud), men her er det nødvendigt at nævne at den biologiske effekt er stor. Faktisk har alfastråling en energi på 1-10 Mio. elektronvolt (MeV). Den biologiske effekt: Hvis man indtager et stof der afgiver alfastråling, vil det blive ved med at bombardere de samme celler med helium-kerner, og dette kan betyde at man kan udvikle en kræftknude i de celler der bliver udsat.

Når radium udsender alfa-stråling, udsender det således en heliumkerne. Dette betyder at det atom der mister heliumkernen bliver til et nyt grundstof. Dette process kalder man henfald. Man siger at et stof henfalder til noget andet.

I vores tilfælde henfaldt vores grundstof, Radium-226, til Radon-222, da en heliumkerne vejer 4 atomare vægtenheder, og har 2 protoner.

Hvis man regner lidt videre kan man se at Radon-222 igen henfalder til Polonium-218, som igen henfalder til Bly-214.

Radium-226 har en halveringstid på 1602 år, Radon-222 på 3,8 dage, Polonium-218 på 3,1 minutter og bly-214 på 26,8 minutter. Bly-214 udsender betastråling, og henfalder på en anden måde end de øvrige stoffer, ved at det udsender en elektron i stedet for en heliumkerne.

                                         226      222    4
Her ses det første led af henfaldskeden af Radium: Ra 🡪 Rn + He

88 86 2

Det var Marie Curie der opdagede Radium-226, og hun arbejdede med 1 gram af dette stof. Hun

fandt ud af at det henfalder 3.7*10^{10} gange i sekundet. Enheden er Ci, men SI-enheden er Bq

                                                           10
(Becquerel), som beskriver et henfald i sekundet. Derfor er en Ci=3,7*10 Bq.

Betastråling er elektroner der med en stor mængde af energi bliver udsendt fra atomkernen.

Dette medfører at en af kernens neutroner bliver omdannet til en proton, og derfor får man et nyt grundstof der af et atomnummer mere. Betastrålers rækkevidde er lidt længere end alfastrålers:

Side 5

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1 de har en rækkevidde på 5-10 cm i luft og 7-10 mm i levende væv. Betastråling har en energi på omkring en MeV., hvilket betyder at betastråler har en væsentlig lavere mængde energi.

Gammastråling er stråling af elektromagnetisk form der har en rigtig kort bølgelængde på kun 10

                                    −12
picometer, hvor en picometer svarer til 1×10 m. og har dermed en tilsvarende stor energi.

Gammastråler er kendt for at være enormt gennemtrængende, og derfor er det denne form for stråling der kan forårsage stort skade ved bestråling af levende væv: der skal faktisk næsten 2 meter beton til at kunne stoppe gammastråling 100%.

Viden og inspiration til dette afsnit er hentet fra:

http://www.akraft.dk/radioakt.htm#radio
http://en.wikipedia.org/wiki/Gamma_ray

Overmætning

Overmætning henviser til en opløsning hvor det er muligt at opløse mere af et pågældende materiale end det ellers er muligt under normale omstændigheder. Et kendt eksempel på overmætning fra hverdagen kan man finde i de såkaldte varmepuder. Varmepuder indeholder en overmættet opløsning af natriumacetat (C H NaO) i vand.

2 3 2

Til højre er der et diagram der beskriver opløseligheden af natriumacetat i vand pr 100ml, og heraf ses at det fra 20 til 100 grader markant skifter opløselighed.

Natriumacetat har den egenskab at dets opløselighed stiger væsentligt mere end andre stoffer.

Når man koger varmepuden, bliver alt natriumacetatet opløst i vandet.

Man lader herefter varmepuden køle ned igen til omkring stuetemperatur. Nu har man en overmætning opløsning af natriumacetat i vand. I selve varmepuden ligger der en metalskive, som man manuelt kan ”bøje”, hvilket medfører at det frigiver nogle få meget små krystaller af natriumacetat, og disse krystaller starter en kædereaktion som får resten af natriumacetatet til at udfælde. Denne reaktion er exotermisk, altså en reaktion der danner varme.

Når man har brugt ”varmepuden”, kan man så og sige ”genoplade” den ved at koge den igen, hvorved man så igen opløser natriumacetatet.

Varmepuden er derfor et rigtig godt lægemiddel og kan desuden nemt bruges i hverdagen hvis man fx har ømme led eller muskelsmerter og derfor behøver en varmekilde der nemt kan nå de specifikke steder hvor varmetilførslen til musklerne behøves.

Det er samme princip vi bruger i vores forsøg med tågekammeret. Dette kommer vi ind på i afsnittet ”Tågekammeret”.

Temperatur | 0°C | 20°C | 100°C
Opløselighed pr | 36,2 | 46,4 | 170.15
100 ml | gram | gram | gram

Figur 1: Dette billede illustrere hvor gennemtrængelige de forskellige strålingsformer er. Øverst ses Alfa, dernæst beta og den sidste stråle er gamma.

Side 6

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Geiger-Müller rør

Geiger-Müller røret er et rør der kort sagt kan registrere ioniserende stråling. Geiger-Müller røret består af en cylinder som er fyldt med gas ved forholdsvis lav tryk. Ved den ene ende er det bygget af metalfolie, hvilket gør de hurtige partikler (alfa- og gamma-stråler) kan passere uden tab. Den gas der er i cylinderen består udelukkende af neutrale atomer, og derfor vil den stråling der kommer ind ioniseres og dermed søge ”mod” ladning. Når dette sker, vil man kunne høre et lille ”bip”, hvilket betyder at Geiger-Müller røret har mødt en partikel.

Scintillationsdetektor

Indenfor partikelfysik er en scintillationsdetektor et meget brugt apparatur der kan bestemme energifordelingen af de partikler der frembringes i et forsøg. Scintillationsdetektoren virker ved at man har en scintillator der kan udsende et lysglimt når den bliver ramt af en partikel med høj energi. Scintillatoren er oftests et fast stof, men det kan også være flydende. De mest brugte scintillatorer er NaI- eller BaF

2

-krystaller. Derefter bliver dette lys opfanget af en såkaldt

”fotomultiplikator”, der kan opfange lys og omsætte det til et elektrisk signal der kan registreres.

Viden og inspiration til dette afsnit er hentet fra:

http://www.denstoredanske.dk/It,_teknik_og_naturvidenskab/Fysik/Partikelreaktioner_og_f%C3
%A6nomenologi/scintillationsdetektor

http://posthus.naestved-gym.dk/fysik-kemi/Fysikovelser/scintdet/scintdet.htm

Tøris

Tøris er, i al sin enkelthed, frossen kuldioxid. Det er CO

2

, som også findes i luften, der er blevet kølet så meget ned at det er desublimeret. Tøris ligner sådan set almindeligt is, bortset fra at det i stuetemperatur ”ryger”. Dette vil sige at det sublimerer, og bliver til gas igen. Den røgeffekt man kan se når det bliver varmet op, er denne gas.

Tøris har en temperatur på -78.5 grader Celsius, og det er derfor ikke anbefalet at håndtere med bare hænder. Hvis det kommer i kontakt med huden i for lang tid nok (op til få sekunder) kan man få forfrysninger, og få brandsår-lignende symptomer. En anden sikkerhedsforanstaltning man skal tage, er at når man arbejder, skal man huske at arbejde i et ventileret rum. Grunden til dette er at CO fortrænger ilten i luften omkring os, og derfor vil man kvæles hvis man står i et lukket rum

2 med for meget CO. Man kan regne med at en mængde tøris vil udvide sig med en faktor 500,

2 derfor er det meget vigtigt at man sørger for ventilation.

Viden og inspiration til dette afsnit er hentet fra:

http://da.wikipedia.org/wiki/T%C3%B8ris

Figur 2: Geiger-Müller-rørs principdiagram. Hentet fra:

http://da.wikipedia.org/wiki/Geiger-M%C3%BCller-r%C3%B8r

Side 7

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

http://en.wikipedia.org/wiki/Dry_Ice

Tågekammeret

Først vil vi komme ind på hvem og hvordan tågekammeret blev opfundet samt lidt historie bag tågekammeret. Derefter vil vi samle op på alle de ovennævnte teoriafsnit og fortælle hvordan de alle bruges i en højere enhed.

Tågekammeret blev opfundet af Charles Thomas Rees Wilson (), en skotsk fysiker. Wilson begyndte at udvikle kamrer for at studere sky-formationer og optiske fænomener i fugtig luft. Wilson opdagede meget hurtigt at vanddråber kunne kondensere på ioner i sådanne kamre. Dette medførte at han fik sit første tågekammer færdiglavet i 1911. Det første kammer han lavede var ekspansionskamret, hvori han havde noget vanddamp, som han udvidede ved at trække i en membran. Dette kølede vandet ned, og fik vandet til at begynde på at kondensere. Når han skød en partikel igennem kamret, kunne han herved se et spor efter partiklen. Han udviklede senere tågekammeret, hvori han erstattede vanddampen med ethanol, og brugte tøris til at køle det ned i stedet.

Der findes flere måder at kunne detektere radioaktivitet på. Vi har valgt under teoriafsnittet at skrive om Geiger-Müller røret og om scintillationsdetektoren da de begge er apparater, der ligesom tågekammeret, er lavet til at kunne detektere stråling på hver sin egen måde. Geiger-Müller røret kan tælle antallet af henfald, scintillationsdetektoren kan bestemme energifordelingen af de partikler detektoren modtager.

Tågekammeret er dog baseret på et lidt andet princip end de to ovennævnte apparater. Et lag med tøris lægges oven på en aluminiumsplade som leder varmen op til det egentlige kammer. Vi brugte tøris da det er nemt at håndtere, og fordi det er tilstrækkeligt koldt og forholdsvist let at skaffe. Det har desuden en god evne til at køle forskellige elementer ned, og det er derfor ideelt til vores forsøg. I dette kammer har vi en filtring som vi har dryppet ethanol på, dette fordamper og fylder hele kammeret med ethanoldampe, og når de når ned til aluminiumspladen bliver de overmættede. Vi brugte ethanol da det har en ideel temperatur hvor det kondenserer, i modsætning til vanddamp. Desuden fordamper det rimeligt hurtigt ved stuetemperatur, hvilket gør at det ikke er vært at fylde kamret med ethanol-damp. Når det så bliver kølet tilstrækkeligt ned, bliver det overmættet, da der ikke kan opløses så meget ethanol i luften mere, og dette gør det ustabil. Når man har en radioaktiv kilde som skyder partikler af sted hele tiden, starter det en kædereaktion, og det gør at der kommer lange streger i dampene.

Herved kan man se hvordan den radioaktive kilde udsender stråling, hvor meget den spreder, og hvor kraftig den er (ved at kigge på hvor lange streger partiklerne trækker).

Der er nogle forskellige grunde til at man bruger alfa-stråling i stedet for gamma-eller betastråling. Alfastråler består som tidligere nævnt af en heliumkerne, mens betastråler består af en elektron. Gammastråling er elektromagnetisk stråling. Det der får ethanol-dampene

Side 8

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1 til at fortætte så man kan se de lange streger som partiklen trækker efter sig, er heliumkernen i alfastråling. Denne kerne er stor nok til at ”støde” på ethanol-atomerne uden at ryge igennem, og stadig have en ladning, så ilt-atomer bliver ioniseret. Når de er ioniseret, får de ethanol-atomerne til at kondensere på dem, og dette kan man se som streger. Da betastråling afsender en elektron, er dette ikke nok til at ramme atomer tit nok, så man vil ikke kunne se særlige tydelige streger.

Gammastråling rammer slet ikke nogen atomer, det er bare elektromagnetiske stråler der ryger lige igennem, så det er ikke nok til at iværksætte ethanol-dampens fortætning.

Materialer

Herunder har vi en liste over alle de materialer som vi har brugt til både opstilling og udførelsen af tågekammer-forsøget.

1. Ethanol

2. Filtring

3. Glasplade

4. Alfa-kilde

5. Aluminiumsplade

6. Tøris

7. Skumgummikasse

Forsøgsudførelse

1. Anbring først tørisen på skumgummipuden

2. Læg aluminiumspladen oven på tørisen

3. Anbring filtringen på siden af kammeret

4. Dryp ethanol på filtringen og læg glaspladen ovenpå kammeret. Husk at gøre glaspladen helt ren ved at gnide en tør klud på pladen så alle ioner fjernes.

5. Få minutter efter sættes alfa-kilden ind

6. Ved at belyse tågekammeret kan man herefter se sporene af alfapartiklernes bane.

7. Sæt et stykke ALU-folie hen over alfa-kilden og observer hvordan det blokerer for partiklerne.

Resultater

Da vi indsatte Ra-226 kunne vi se hvordan alfa-partiklerne trak treger i ethanol-dampen. Dette er illustreret ved billederne forneden. Det skal dog understreges at vi ikke havde et kamera med høj nok opløsning til at tage et ordentligt billede, så vi har taget dette billede fra nedenstående link, men det viser det samme som i vores tågekammer.

Side 9

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Kilde: http://allenbukoff.com/ScienceFair/CloudChamber1966.html

Man kan se hvordan alfapartiklerne trækker streger i ethanol-dampene. Man kan også se at de ikke når særligt langt ud, hvilket er typisk for alfapartikler. Den hvide klump længste til højre er alfa-kilden, og det er herfra helium-kernerne bliver udsendt. Jo længere stregerne er, jo stærkere er alfakilden, og spredningen af partiklerne angiver også hvor kraftig kilden er.

Fejlkilder

Da vi ingen problemer havde i vores forsøg og da hele forsøget gik som smurt, havde vi umiddelbart ingen fejlkilder. Men der er dog altid en chance for at diverse fejlkilder kunne have haft påvirket vores forsøg:

Havde vi haft for lidt ethanol i filtringen kunne vi have haft risikeret at alfa-partiklerne ikke havde noget at ”støde” ind i og derfor ville vi ikke kunne se alfapartiklernes henfald. Havde vi ikke lukket for låget tæt nok ville ethanoldampen kunne fise og, og dermed ville vi ikke have nok ethanol til at kunne se henfaldene.

Konklusion

Vi har formået at opstille tågekammeret, og vi har formået at detektere stråling fra en Ra-226 alfakilde som også er illustreret under afsnittet ”Resultater”. Vi har undersøgt de forskellige fysiske principper bag tågekammeret og vi har dermed fået en bedre forståelse af disse principper.

Her kan man se hvordan en alfapartikel har skudt sig igennem ethanoldampen, og har trukket en streg efter sig.

Side 10

[navn fjernet] og [navn fjernet] Fysik B - Eksamensrapport Afleveret d. til TS

KNG 2.g1

Evaluering

Vi startede med at vælge dette emne da vi begge interesserer os rigtig meget for atomfysik, stråling og den ide at man kunne se hvordan alfa-strålingen opførte sig. Det var rigtig spændende at holde øje med tågekammeret, og se hvordan partiklerne trak streger i ethanol-dampene.

Ved at lave denne rapport har vi opnået en masse vide om tågekammeret, alfa- beta- og gammastråling, forskellige måder man kan måle radioaktivitet på, og en masse andre emner, som berørte vores projekt.