[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
[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
[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.
[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.
Her ses det første led af henfaldskeden af Radium:
226
88
Ra
222
86
Rn +
4
2
He
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
(Becquerel), som beskriver et henfald i sekundet. Derfor er en Ci=3,7*10
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:
[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
picometer, hvor en picometer svarer til 1×10
−12
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
2
H
3
NaO
2
) i vand.
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
100 ml
36,2
gram
46,4
gram
170.15
gram
Figur 1: Dette billede illustrere hvor
gennemtrængelige de forskellige
strålingsformer er. Øverst ses Alfa,
dernæst beta og den sidste stråle er
gamma.
[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
2
fortrænger ilten i luften omkring os, og derfor vil man kvæles hvis man står i et lukket rum
med for meget CO
2
. Man kan regne med at en mængde tøris vil udvide sig med en faktor 500,
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
[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
[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.
[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.
[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.