Contador Geiger

Química. Radiación de fondo. Alfa, beta y gamma. Campo magnético. Filtros. Equipo

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CONTADOR GEIGER

INTRODUCCIÓN:

Se sabe que hay algunos elementos de la naturaleza que sufren una desintegracón nuclear. Esta radiación suele dividirse en tres tipos: alfa,beta y gamma.

El hecho de que estos elementos se desintegren se debe a que poseen núcleos inestables, con un tiempo de vida media. Si consideramos un material podemos saber cuál es su vida media, pero si consideramos sólo un núcleo, es difícil saber cuál es el tiempo qeu éste tarda en desintegrarse.

Nosotros podemos detectar la radiación tomando una fuente radiactiva, como por ejemlo el Ra-226 el potasio y otras, pero aunqeu no tomemos ninguna fuente radiactiva para medir este fenómeno, nuestro cuerpo está sometido constantemente a radiación, es lo que se conoce como radiación de fondo; esta radiación viene de elementos que constituyen la capa terrestre, los edificios de los que estamos roeados, los alimentos que tomamos... pero la principal radiación es la de los rayos cósmicos que proceden del espacio.

Las radiaciones ionizantes son invisibles y no las sentimos.Por dicho motivo el trabajo sin precaución presenta grandes riesgos; de hecho toda persona espuesta a una fuente de radiación primaria(que viene directamente de la fuente), se convierte en una fuente de radiación secundaria que emite en todas las direcciones.

También existe el riesgo de la contaminación radiactiva que se produce cuando las fuentes radiactivas no están encapsuladas o cuando las cápsulas han perdido su hermiticidad.

La velocidad con que se transforma una materia radiactiva se llama actividad.

La radiación ionizante, al atravesar a un objeto, ioniza las moléculas que lo forman depositando en él energía.

Vamos a hablar a continuación de los tipos de radiación(alfa, beta y gamma), especificando sus propiedades para que podamos entender mejor lo que se va a realizar en esta práctica.

Rayos alfa: son núcleos de Helio, su carga es positiva por lo que son desviados or los campos magnéticos y eléctricos; tienen poco poder de penetración en la materia.

Rayos beta: son electrones, su carga es negatica y por lo tanto son también desviados por los campos eléctricos y magnéticos; tienen mayor poder de penetración en la materia.

Rayos gamma: son fotones, lo que implica que no sean desviados en presencia de campos ni eléctricos ni magnéticos; son las que tienen mayor poder de penetración en la materia de los tres tipos.

DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EXPERIMENTAL:

El contador Geiger-Müller se utiliza para detectar la radiactividad. Es una sección cilíndrica, cuyas parades son conductoras y están llenas de gas noble (p.ej. Argón) a baja presión. Un extremo del contador está cerrada con una capa de mica, es por donde penetra la radiación. Ésta provoca la ionización de los átomos del gas, que se separan en electrón-ión positivo, que provocan nuevas ionizaciones.En condiciones apropiadas, cada avalancha producida por un electrón, provoca la avalancha de otros electrones. Para valores del campo eléctrico muy altos, el número de avalanchas crece de forma exponencial.

La amplitud del pulso recogido es grande, por lo que no hacen falta amplificadores.

En el eje del cilindro hay un hilo conductor produciéndose una diferencia de potencial entre éste y las paredes del conductor; ésta diferencia de potencial provoca un campo radial que hace que los electrones vayan hacia el ánodo (hilo central) y los iones hacia el cátodo (paredes). Cada partícula detectada hace que se desencadene este proceso y puede ser contada por un contador digital.

Para que la descarga se propague en el gas es necesario que el valor del campo supere un valor mínimo, si no la descarga se extingue.

El voltaje para el que sucede esto es siempre el mismo, y tampoco tenemos otras características que nos permitan distinguir el tipo de partículas que llegan.

Para que la ionización inicial no influya en las medidas realizadas, la diferencia del potencial ha de estar aproximadamente entre 600 y 1000 voltios.

Aunque la eficiencia del contador es muy alta, para los rayos gamma es ínfima.

El "tiempo muerto" es el que tarda el gas en "recuperarse" para poder volver a realizarse el proceso de ionización (algunos microsegundos). Si el campo no se ha recuperado de todo cuando llega otra señal, ésta perderá intensidad.

Contador Geiger

Fuentes radiactivas: como el cloruro potásico y el Ra 226. Estas fuentes se mantienen encapsuladas mientras no se utilizan, para evitar una radiación innecesaria.

Imanes: que son los que provocan el campo magnético y la desviación de las partículas tanto alfa como beta.

Filtros:pueden ser papeles,láminas de plomo y aluminio.

Tubo de plástica lleno de perdigones.

Cronómetro.

Altavoz:que se puede detectar o no; sirve para oir la llegada de las partículas al contador.

DATOS OBTENIDOS:

Para determinar el efecto cero medimos el número de cuentas una vez, al cabo de 5 minutos en los 3 ejes: X,Y,Z. Obtenemos: eje X : 15713

eje Y : 16713

eje Z : 15312

(El error del número de cuentas lo hallamos como la raíz cuadrada del mismo).

Media=15913

Para un minuto obtenemos: 326 cuentas/minuto.

A) Tomamos ahora una fuente de Ra 226, y procedemos a realizar la medida del número de cuentas para los distintos ángulos, hacemos varias tomas de datos de acuerdo con lo que se especifica a continuación : número de cuentas sin campo magnético y sin papel y con un papel; número de cuentas con campos y sin papel, con 1 papel,2 papeles, 3 papeles y 4 papeles. Mantendremos la distancia entre el contador y la fuente radiactiva constante e igual a 6 cm. Vamos a realizar las medidas en intervalos de 2 minutos. Los datos obtenidos son los siguientes(en estos datos no se ha descontado el efecto cero):

SIN CAMPO Y SIN PAPEL

0 151239

15 137037 -15 133136

30 88430 -30 97131

45 44321 -45 46822

CON 1 PAPEL Y SIN CAMPO

0 117634

15 110833 -15 118935

30 75527 -30 79928

45 42221 -45 46322

CON CAMPO Y SIN PAPEL

0 121735

15 165241 -15 84129

30 177042 -30 45921

45 151239 -45 26016

CON CAMPO Y 1 PAPEL

0 101032

15 135637 -15 75828

30 140738 -30 45521

45 110533 -45 26216

CON CAMPO Y 2 PAPELES

0 97531

15 119835 -15 67326

30 122035 -30 43621

45 98531 -45 29517

CON CAMPO Y 3 PAPELES

0 85329

15 108533 -15 64125

30 107033 -30 41921

45 82729 -45 27417

CON CAMPO Y 4 PAPELES

0 83629

15 94931 -15 57124

30 95631 -30 42821

45 72017 -45 26616

B) Tomamos ahora medidas para ver cómo varía el número de cuentas en función de la distancia del contador a la fuente; vamos a realizarlas sin papel, con 1,2,3,4,y 5 papeles.A los datos obtenidos que se presentan en la siguiente tabla ya les ha sido descontado el efecto cero.(Todos los valores del número de cuentas suponemos que han sido tomados en el mismo intervalo de tiempo, el cual desconocemos, pues no está indicado en la libreta del laboratorio y estos datos han sido extraídos de ella).

Nº de cuentas Nº de cuentas

x=1cm sin papel-24939158 x=2cm sin papel-631680

1 papel-16874130 1 papel-701384

2 papel-14830122 2 papel-567176

3 papel-13673117 3 papel-523973

4 papel-12239111 4 papel-498671

5 papel-12310111 5 papel-471569

x=3cm sin papel-301455 x=4cm sin papel-194644

1 papel-277753 1 papel-147739

2 papel-258051 2 papel-144538

3 papel-236149 3 papel-133337

4 papel-225048 4 papel-132137

5 papel-222748 5 papel-125036

x=5cm sin papel-112334 x=6cm sin papel-79729

1 papel-99332 1 papel-67627

2 papel-95531 2 papel-68627

3 papel-89130 3 papel-61325

4 papel-87430 4 papel-58625

5 papel-81529 5 papel-61725

x=7cm sin papel-56724 x=8cm sin papel-44322

1 papel-46922 1 papel-42321

2 papel-49923 2 papel-41121

3 papel-48823 3 papel-38420

4 papel-43322 4 papel-35320

5 papel-43322 5 papel-30818

x=9cm sin papel-33919 x=10cm sin papel-27217

1 papel-26617 1 papel-28018

2 papel-27217 2 papel-24717

3 papel-29518 3 papel-21616

4 papel-22316 4 papel-20015

5 papel-26917 5 papel-20615

C) Para medir la distribución estadística del efecto cero, medimos el número de cuentas cada seis segundos( lo vamos a realizar en la dirección del eje Y, los datos obtenidos son:

3-7-9-10-13-17-19-22-28-32-36-38-40-41-46-53-57-60-64-68-69-69-75-78-80-83-88-90-92-96-98-103-107-107-111-116-117-122-122-126-131-134-137-145-147-152-153-158-162-166-169-172-179-181-183-184-192-198-206-209-212-216-216-217-218-221-222-223-228-231-234-235-236-238-238-242-245-248-251-257-260-26-266-268-272-274-278-280-280-286-290-291-292-297-297-301-303-308-315-317-322-324-330-335-336-340-340-343-345-349-352-355-358-361-389-391-396-397-397-400.

Vamos a tomar también datos para hacer la misma distribución estadística pero ahora lo haremos tomando el número de cuentas cada 5 segundos y en la dirección del eje Z:

5-9-11-16-19-21-22-24-28-31-33-37-40-41-44-47-52-53-61-63-65-69-71-74-78-81-85-90-93-98-99-100-101-104-108-113-115-119-120-125-128-132-135-135-135-140-142-146-148-150.

Tomamos ahora también en la dirección del eje Z, pero ahor acon intervalos de 10 s. :

7-11-14-20-24-29-36-41-47-55-58-63-68-75-78-84-91-98-104-106-113-119-122-126-134-137-147155-161-166-174-176-180-185-191-197-205-213-220-227-234-238-243-246-256-261-266-269-275-280.

ANÁLISIS DE DATOS

Observando los datos tomados en el laboratorio por todos los compañeros, vemos que la medida del efecto cero no es función de la hora en que se mida, ni de la presión así como temperatura, día y humedad. Los valores medidos para este efecto se encuentran entre 90 y 98, pero como ya hemos dicho sin ninguna dependencia con los factores antes citados,( o al menos ninguna dependencia observable, así, por ejemplo, en un caso con mayor presión en una medida se obtiene mayor número de cuentas y en otro caso menor.) La probabilidad de obtener mayor o menor número de cuentas es bastante aleatoria, hay muchos factores que pueden intervenir tanto positiva como negativamente, en las medidas de este efecto.

A) En este apartado, para que las medidas sean comparables con las tomadas por otros grupos, vamos a calcular el número de cuentas por segundo(para ello dividimos tanto el número de cuentas como el error entre 2').

En las gráficas que se adjuntan, en donde se representa el número de cuentas en función del ángulo para cada apartado diferente(con campo, sin campo, con más o menos papeles).

Se observa que, cuando tomamos las medidas sin campo magnético, el máximo del número de cuentas se encuentra en el ángulo cero, asimismo vemos que cuando interponemos un papel entre la fuente y el contador, disminuye notablemente el número de cuentas.

Cuando ponemos un campo magnético, que generamos con dos imanes, el máximo del número de cuentas ya no se encuentra en el cero, sino que se ve desplazado hacia los 30 grados( esto se debe a que tanto las partículas alfa como beta tienen carga,por lo que son desplazadas por los campos,en este caso el c.magnético), vemos también que a medida que vamos aumentando el número de papeles el número de cuentas va disminuyendo, esto se debe a que, como ya hemos dicho en la introdución, algunas de las partículas emitidas pueden ser paradas por un simple papel(partículas alfa),y a medida que vamos aumentando el número de papeles se van parando otras partículas, que aunque son más energéticas, no lo suficiente como para atravesar la materia puesta, en este caso el número de papeles(estamos hablando de las partículas beta).

En la siguiente gráfica se puede ver la dependencia del número de cuentas para cada ángulo en función del nº de papeles puestos entre la fuente y el detector. De esta representación se pueden hacer las siguientes objecciones:para un ángulo de 30 grados, que en este caso (en presencia de campo magnético), corresponde al máximo nº de cuentas, se observa una disminución bastante considerable del nº de cuentas en función del aumento de hojas; tanto para 15 como para -15 grados, la disminución tiene un pendiente similar; para -30 y -45 el nº de cuentas ya no depende del nº de papeles que pongamos, se mantiene constante siendo el valor para -30 grados una cuenta mayor que el de -45 grados.

En estas gráficas no se ha descontado el valor del efecto cero, porque sería restarle a todas las cuentas el mismo nº y para lo que queremos ver no es necesario, puesto que queremos ver el comportamiento (la distribución total). Tampoco se han representado los errores porque al pasar el nº de cuentas a nº de cuentas por minuto, los errores han quedado comparables con cero, es decir, son insignificantes comparados con el nº de cuentas representadas.

B) En este segundo apartado, tratamos de comprobar que el nº de cuentas en función de la distancia se comporta como el inverso del cuadrado de la distancia.

Para el caso que se cumple mejor esta relación, es para el que tomamos los valores sin poner ningún papel; pero en todas se ajusta bastante bien a esta función.

Podemos ver, como ya esperábamos, porque lo hemos comprobado en el apartado anterior, que el nº del máximo de cuentas (y correspondientemente los otros), van disminuyendo a medida que aumento el nº de papeles que pongo.

En la primera gráfica se ha tomado un eje logarítmico para el eje y, es decir la gráfica se ha representado de forma semilogarítmica.

Se observa alguna irregularidad, así por ejemplo, se dectecta un mayor nº de cuentas para dos papeles que para un papel a una distancia de 6 cm., esto puede ser debido a irregularidades en la emisión de partículas radiactivas, o también a que en un caso la frecuencia de llegada de partículas sea mayor que en el otro, lo que implicaría, como ya hemos dicho en la introducción, que no le daría tiempo a recuperarase al gas que hay en el interior del contador Geiger, y por lo tanto no detectaría, o de hacerlo lo haría con menor intensidad, la siguiente partícula que recibiese. Otras causas también podría ser que se detectase en ese momento radiación que proviniese de los rayos cósmicos, así como de otros elementos raciactivos de la naturaleza.

Hay muchas causas ajenas a la medida precisa que pueden explicar estas irregularidades.Pero a pesar de todos estos factores que pueden intervenir tanto positiva como negativamente en la medida, no se nos impide ver en las gráficas que se adjuntan, lo que se pretendía, es decir, comprobar que la recepción de radiación se comporta como el inverso del cuadrado de la distancia.

C) En este caso vamos a analizar la distribución del efecto cero. Para ello representamos el número de ve ces que obtenemos cada nº de cuentas(frecuencia) frente al nº de cuentas.

Esperamos que estos datos se ajusten a una distribución de Poisson o en el caso de los valores medios sean muy grandes se ajustarán a una gaussiana.

En la toma de datos para el eje Y, como tenemos mayor nº de datos, se distribuyen de forma más simétrica, respecto del máximo, que está en 3 cuentas. Cuando tomamos,(ahora en la orientación del eje Z), el nº de cuentas cada cinco segundos, también obtenemos el máximo de cuentas en 3, pero si tomamos,(para este mismo eje), el nº de cuentas para intervalos de 10 segundos, el máximo del nº de cuentas, corresponde a 5. Según este comportamiento cabe esperar, que a medida que aumentemos los intervalos de tiempo en que tomamos el nº de cuentas, el máximo de cuentas se vaya desplazando hacia un nº mayor.

En las gráficas que se adjuntan, se representan los tres casos considerados.

COMENTARIO

Con esta práctica hemos medido la radiación de ciertos elementos de la naturaleza, que siguen una desintegración progresiva.

También hemos detectado que el cuerpo hmano está sometido constantemene a radiaciones que provienen de distintos materiales, así como de los rayos cósmicos del universo, del interior de nuestro cuerpo (con alimentos que ingerimos),etc.

La emisión de rayos cósmicos (la cual se trata en otra práctica), se produce de una forma bastante continua.

No podemos conocer el tiempo total de desintegración de un núcleo, pero sí, la vida media de dicho núcleo. Esta vida media se calcula sabiendo las partículas emitidas por dicho núcleo de forma natural, es decir, sin que halla algo que acelere la desintegración de dicho núcleo.

BIBLIOGRAFÍA

1-. Datos tomados por nosotros en el laboratorio.

2-. Datos tomados por otros en el laboratorio(éstos los hemos tomado de la libreta de prácticas).

3-. Radiobiología -Elizabeth LaTorre Travis-

4-. Radiacion, detection and measurement - Glenn F.Knoll

Se sabe que hay algunos elementos de la naturaleza que sufren una desintegración nuclear, es decir, sus núcleos son inestables y se descomponen es otros elementos completamente diferentes; a estos elementos se les llama radioactivos y esta radiación puede ser de tres tipos: alfa, beta y gamma.

El hecho de que estos elementos se desintegren implica un tiempo de desintegración que llamamos vida media. Si consideramos un material podemos saber cuál es su vida media, pero si consideramos sólo un núcleo, es difícil saber cuál es el tiempo que éste tarda en desintegrarse.

El contador Geyger puede detectar la radiación proveniente de fuentes radioactivas , como por ejemplo el Ra-226 el Potasio-40 y otras, pero aún sin ninguna fuente radiactiva que medir, el detector señala la presencia de radiación, es lo que se conoce como radiación de fondo; esta radiación viene de elementos que constituyen la capa terrestre, los edificios de los que estamos rodeados, los alimentos que tomamos... pero la principal radiación es la de los rayos cósmicos que proceden del espacio, nuestro cuerpo esta sometido a este tipo de radiación constantemente y durante toda nuestra vida.

Las radiaciones que nos ionizan son invisibles y no las sentimos. Por dicho motivo el trabajo sin precaución presenta grandes riesgos; de hecho toda persona expuesta a una fuente de radiación primaria(que viene directamente de la fuente), se convierte en una fuente de radiación secundaria que emite en todas las direcciones.

También existe el riesgo de la contaminación radiactiva que se produce cuando las fuentes radiactivas no están encapsuladas o cuando las cápsulas no están convenientemente aisladas, el elemento más peligroso que trataremos será es Ra-256 pero nuestra muestra será bastante inofensiva ya que apenas traspasa unas capas de papel normal.

La velocidad con que se transforma una materia radiactiva se llama actividad. La radiación ionizante, al atravesar a un objeto, ioniza las moléculas que lo forman depositando en él energía.

Hablaremos ahora brevemente de los tipos de radiación (alfa, beta y gamma), especificando sus propiedades para que podamos entender mejor los objetivos y resultados de esta práctica.

  • Rayos alfa: Son núcleos de Helio, tienen carga positiva por lo que son desviados por los campos magnéticos y eléctricos. Tienen poco poder de penetración en la materia.

  • Rayos beta: Son electrones, su carga es negativa y por lo tanto son también desviados por los campos eléctricos y magnéticos. Tienen mayor poder de penetración en la materia.

  • Rayos gamma: Son fotones, lo que implica que no serán desviados en presencia de campos ni eléctricos ni magnéticos. Son las que tienen mayor poder de penetración en la materia de los tres tipos.