950 Intro til radioaktivitet

Transkript

1 950 Intro til radioaktivitet 1 af 2 Til hverdag tænker vi ikke på radioaktivitet. Alligevel bør vi vide noget om det i følgende sammenhænge... atomkraft atombombe Solen og kosmisk stråling røgmelder kræftbehandling med stråling anvendelse af radioaktivitet i industrien Mange elever synes, at radioaktivitet er spændende - og skræmmende. Forsøgene er forholdsvis nemme at lave, og teorien er enkel i begyndelsen. Senere kan man fordybe sig og bygge mere viden på. Her er nok til den videbegærlige nørd og nemt stof til den almindelige elev. Tre slags stråling Der er 3 former for radioaktivitet: Alfa-, beta- og gammastråling. Vi bruger de tre første bogstaver i det græske alfabet. De tre første øvelser handler specifikt om de tre former for radioaktivitet. Sikkerhed Vi laver forsøg med tre radioaktive kilder. Holder man dem mindst 30 cm fra kroppen, er de absolut ufarlige. Officielt er der knyttet nogle sikkerhedsregler ved brug af kilderne, som skal overholdes af både lærer og elev. Når man arbejder med radioaktivitet, må man ikke... spise drikke ryge lægge make up være gravid Video

2 950 Intro til radioaktivitet 2 af 2 Video om et tågekammer med radioaktive kilder. Radioaktive partikler kan gøres synlige i et køligt kammer med spritdampe. Det hele forklares på dansk...

3 951 Radioaktivitets rækkevidde 1 af 2 Forsøget skal gøre dig... bekendt med de tre former for radioaktivitet kendt med deres egenskaber Det er nemt at stille forsøget op. Der skal bruges en geigertæller, en lineal og en radioaktiv kilde. Gør evt. som vist her på billedet. Gør sådan her... Først måles baggrundsstrålingen. Læg den radioaktive kilde tæt på GM-rørets åbning. Mål antal henfald i 10 sekunder og skriv resultatet i skema i elevmappen. Lav ny måling ved 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 cm. Vurdér hvor langt kilden rækker i alm. luft. Konklusion Kildernes rækkevidde er ikke ens Beta-kilden var meget aktiv og rækker derfor langt Generelt rækker gamma længst, fordi det ikke er partikler, men elektromagnetisk stråling (i familie med lys, røntgen og radiobølger) Video Se og hør om radioaktivitet på dette video-klip...

4 951a Baggrundsstråling 1 af 2 Der er en lille smule radioaktivitet overalt i vor hverdag. Det er ikke skadeligt, og vi skal ikke være bange for det. Vi kan måle baggrundsstrålingen med en geigertæller, og når vi laver forsøg, vil nogle af tallene være fra omgivelserne og ikke fra de radioaktive kilder. Baggrundsstrålingen har flere årsager... Kosmisk stråling fra verdensrummet Stråling fra undergrunden, f.eks. granit og gassen radon Atombomber og prøvesprængninger Uheld på atomkraftværker Byggematerialer Madvarer Solen Solen er vor vigtigste energikilde. Den omdanner brint til helium og frigiver en masse energi. Der er tale om kernekraft, en fusion, og der kommer radioaktiv stråling fra en sådan proces. Reaktionsligningen herunder fortæller, at 4 hydrogenatomer går sammen og danner helium, 2 positive elektroner og gammastråling. Med mellemrum er der nogle store udbrud på Solen, og derved bliver den radioaktive stråling større. Det giver en del nordlys ved Jordens poler, men ellers opdager vi det ikke. Heldigvis beskytter Jordens atmosfære og magnetfelt os imod strålerne. Radon Omkring Hedensted i Jylland kommer der en del radon op af jorden. Der er tale om en radioaktiv gas, en ædelgas, som kan forårsage lungekræft. Den kan ophobe sig i folks boliger, hvis der ikke luftes ud regelmæssigt. Når man bygger hus, bør man lægge en lufttæt plastikdug under huset, så gassen ikke kan trænge op i boligen. Atombomber og uheld på atomkraftværker Siden 1945 har vi flere gange set forurening fra menneskers forsøg med radioaktive stoffer. I slutningen af 2. verdenskrig faldt der atombomber over Hiroshima og Nagasaki, og mange mennesker døde. En del fik livsvarige mén. I de næste årtier blev der lavet mange forsøg med atombomber, og det er årsagen til at næsten alt drikkevand verden over er en lille smule radioaktivt. I 1986 skete der et stort uheld på atomkraftværk i den russiske by Tjernobyl. Det gav en 3% forhøjelse i baggrundsstrålingen, hvilket ikke er ret meget. Ulykken på Tjernobyl kunne have gjort store dele af Europa ubeboeligt, hvis ikke ulykken var stoppet i tide. Byggematerialer Mursten, gipsplader og isoleringsmateriale i vore boliger er svagt radioaktive. Det er ikke noget, vi skal være kede af, dog er der enkelte mennesker, som er generet af det. I dag er vore boliger meget tætte for at spare på varmen, og det giver en ophobning af radioaktivitet. Det er derfor en god idé at lufte ud en gang imellem. Madvarer og kulstof 14 Den kosmiske stråling danner nogle radioaktive kulstofatomer i Jordens atmosfære. Normalt er der 12 kernepartikler i kulstof, men den radioaktive isotop indeholder 2 neutroner mere, så vi lander på 14. Det gør atomet radioaktivt.

5 951a Baggrundsstråling 2 af 2 Alt levende får disse isotoper i sig, og bare rolig, det er slet ikke farligt. Maden vi spiser er altså radioaktiv, og derfor er vi selv lidt radioaktive. Når vi dør, standser vi optagelsen af kulstof 14. Dette kan udnyttes til at tidsbestemme f.eks. dyr, mennesker og træer med. Gør man et historisk eller arkæologisk fund, kan man tidsbestemme fundet ved at måle den radioaktive udstråling. Kulstof 14 kan bruges til at datere ca år tilbage. Usikkerheden bliver større jo ældre fund, man prøver at datere med kulstof 14 metoden.

6 952 Stop radioaktivitet 1 af 2 Vi prøver at stoppe de radioaktive stråler i et kontrolleret forsøg. Alfa-, beta- og gammastråler er fysisk forskellige, derfor er heller ikke lige lette at stoppe. Resultater α alfa Alfa-partikler er meget lette at stoppe. Problemet er blot, at når alfa-partikler f.eks. rammer papir, slås elektroner løs, og strålingen fortsætter som beta-stråling. Nogle gange kan man være heldig at opleve, hvordan antallet af impulser stiger, når man sætter papir ind tæt på kilden. Stigningen skyldes altså, at alfa-partiklerne er stoppet, og beta-partiklerne fortsætter. Generelt når alfa-stråling ikke længere end 4-5 cm i alm. luft. De standses af et stykke papir og kan ikke gå igennem huden. β beta Beta-stråling når længere end alfa-partiklerne, fordi elektroner er meget mindre end helium-kerner. γ gamma Gamma-stråling når længst, og der skal flere cm bly til at standse de elektromagnetiske bølger. Der skal ca. 7 mm bly til at halvere strålingen. Foto af forsøget Her bruger vi en alfa-kilde yderst til venstre. I midten stopper en plade af aluminium strålingen. Yderst til højre ses GM-røret. Udfyld skemaet med resultaterne Det er vigtigt at lave notater til dette forsøg. Bagefter kan man nemlig nemt se forskellen på de tre radioaktive kilders evne til at gennemtrænge forskellige materialer. Find huller i en svejsning Teknikere bruger nogle gange radioaktivitet til at finde huller i svejsninger. På nedenstående foto er der en dårlig svejsning øverst og en god nederst. Hvis man fører en radioaktiv kilde ind i røret, vil der komme noget ud igennem utæthederne i det øverste rør. Det vil selvfølgelig kunne måles med en geigertæller. Hvis røret er tæt, vil metallet kunne bremse alfa- og betastråler.

7 952 Stop radioaktivitet 2 af 2

8 953 Alfa-kilden 1 af 2 Der udsendes en alfa-partikel, dvs. en helium-kerne, og vi får stoffet neptunium-237. Desværre udsender alfa-kilden også en række gamma-stråler, hvilket skaber nogle problemer under forsøgene. Halveringstiden for Am-241 er 433 år. Alfa-partiklerne er de største af de radioaktive partikler. Dens masse er 4 units, altså 4 kernepartikler. Dens hastighed er omkring km/sek og når 5-8 cm i almindelig luft. Herunder ses et foto af alfa-kilden. Det radioaktive stof americium-241 er placeret for enden til venstre. Radioaktivitet er en del af vor hverdag Det er ca. 100 år siden, at vi opdagede radioaktiviteten. Det er nemlig ikke noget, vi lægger mærke til i hverdagen. Her skal vi lige nævne et par eksempler... Røgalarm. Der sidder en radioaktiv kilde (Am-241), som ioniserer røgpartikler. Det opdager en sensor, og alarmen går i gang. Radioaktivitet finders altså andre steder end på atomkraftværker og i atombomber.

9 953 Beta-kilden 1 af 1 Beta-kilden indeholder strontium-90, som udsender elektroner fra kernen. Strontium omdannes til yttrium. Neutroner bliver til protoner, således at atomnummeret går én op, og der udsendes en elektron, her kaldet en beta-partikel. Dens hastighed er nær lysets, nemlig km i sekundet. Her ses en simpel animation af det, der sker i beta-kilden...

10 953 Gamma-stråling 1 af 1 Gamma er det tredje bogstav i det græske alfabet, og selv om det ligner et Y, er det altså et G. Gamma-stråling er i familie med røntgen og uv-lys, almindeligt lys, radiobølger, mikrobølger og radar. Der er tale om elektromagnetiske bølger. Herunder ser du gamma-kilden. Den udsender energiladede fotoner, dvs. lysbunter. De kommer ud af metalbeholderen til venstre på billedet. Gamme-kilden indeholder Cæsium, som henfalder til Barium. Herved udsendes en beta-partikel, men der er energioverskud i kernen, som derefter udsendes som gammastråler. Gamma-kilden er derfor ikke helt ren gamma - desværre. Det skaber nu ikke problemer for os med de forsøg, vi laver i 9. klasse.

11 954 Halveringstid for Ba af 2 Dataopsamling Det er et krav fra Undervisningsministeriet, at vi bruger en PC i undervisningen, f.eks. til dataopsamling. En PC er nemlig god til at overvåge og opsamle data. Dette forsøg kræver en del udstyr, bl.a. Pasco med tilsluttet geigertæller. Ude til højre i billedet ses reagensglasset med Ba-137 og den flaske med væske, som bruges til at "malke" isotop- generatoren med. Det er et interessant forsøg, hvor vi skal beregne, hvor lang tid der går, inden det radioaktive stof radium-137 er halveret i aktivitet. Den radioaktive kilde ligger i en smart taske. Isotop-generatoren ligger i midten, til højre er sprøjten til og til venstre en slange til at suge væske op af et glas med en tynd syre i. Sådan forløber forsøget Din lærer "malker" isotop-generatoren med en sprøjte, der indeholder en tynd saltsyreopløsning. Under isotopgeneratoren drypper den radioaktive væske ned i et reagensglas. GM-røret sættes ud for den radioaktive væske, og der optages målinger på PC-en via PASCOinterface-systemet. Målingerne vises i et skema og som graf. Resultaterne kan indsættes i et koordinatsystem, og halveringstiden beregnes.

12 954 Halveringstid for Ba af 2 Her er GM-røret sat helt tæt til væsken med Ba-137. Slår man op i en databog med oplysninger og radioaktive isotopers halveringstider, får man oplyst, at det rigtige tal er 156 sekunder. Videoklip Se en lille video om det samme emne, men forsøget udføres på en lidt anden måde...

13 955 Terninger 1 af 1 Slå 100 terninger Det virker lidt underligt at skulle spille med terninger i en fysiktime. Men det er faktisk en måde at illustrere den variation, der kan være i antallet af henfald i et radioaktivt stof. Det radioaktive henfald måles med en geigertæller. Hvert henfald lyder som et "bib" i apparatets højtaler. Nu hvor vi leger med terninger, svarer en 6'er til et henfald. Forsøget begynder med, at man har 100 terninger. Ved første slag tages alle 6'ere fra. Man noterer sig antallet af terninger, der er tilbage. Halvering illustrerer halveringstid Hvor mange gange skal man slå, før end man har halvdelen af terningerne tilbage? Gør man forsøget flere gange, vil tallet ligge omkring 3,3 gange i gennemsnit. Fortsætter man indtil der er 25 af de oprindelige 100 terninger tilbage, vil anden "halveringstid" 50 til 25 være det samme, ca. 3,3. Fortsætter man til at der 12 terninger tilbage, opnås en tredje "halveringstid". Man sætter sine tal ind i et koordinatsystem og lader x-aksen være antal slag; y aksen er antal terninger. Der fremkommer en kurve, der kan sammenlignes med et radioaktivt stofs halveringstid. Stokastisk proces Nogle fysikere kalder det for en stokastisk proces, når f.eks. antallet af 6'ere kan variere, selv om man slår med det samme antal terninger som udgangspunkt. Radioaktivt henfald er derfor en stokastisk proces.

14 956 Atomkraft i Japan af 3 Det begynder med et jordskælv Den 11. marts ramte et stort jordskælv Japan. Faktisk var det mange jordskælv, som det ses af de små, grå trekanter i havet øst for Japan. Se kort > Inden vi ser på problemet på atom-kraftværket Fukushima, skal vi lige have en forklaring på jordskælvet, som satte det hele i gang. Japan ligger lige på kanten af en fastlandssokkel. Det giver mange jordskælv. 2 fastlandsskoler støder sammen Her på billedet ses 2 sokler. Den røde flytter sig i forhold til den orange. Det starter et jordskælv langt under havets overflade. Energien fra jordskælvet forplanter sig op gennem vandet og skaber en flodbølge, en tsunami. Når bølgen nærmer sig kysten, bliver bølgen højere og farligere. En mur af vand Vand skyller ind over den lave kyststrækning for river næsten alt med sig på sin vej. Vandet kommer med en hastighed på op til 36 km/t. Der er ikke noget at stille op. Ødelæggelsen er total. Vandet slæber slam med sig ind og alt er begravet i et grimt lag gråt mudder. Tusindvis af mennesker forsvandt i tsunamiens hærgen. En serie af ulykker En ulykke kommer sjældent alene. Jordskælvet satte følgende ulykker i gang: Tsunami oversvømmer kysten mod nord-øst Mange mennesker omkommer Atomkraftværket Fukushima kommer ud af kontrol på grund af jordskælv og oversvømmelse Eksposion på Fukushima Radioaktiv forurening Atomkraft, kort fortalt I mange atomkraftværker bruger man det tunge metal uran som energikilde. Det kan frigive mere end gange så meget energi som i kul. Processen begynder med, at en atomkerne med

15 956 Atomkraft i Japan af 3 uran-235 rammes af en neutron. Den borer sig ind i kernen, og vi får isotopen uran-236. Kernen i uran-236 er meget ustabil og sprænges til 2 mindre stoffer, krypton og barium. Denne proces kaldes for fission. Der udskydes nu 3 neutroner ud, og vi har startet en kædereaktion. Hele processen udvikler meget varme. På tegningen er den gule stjerne varme eller evt. lys. Det er noget af den kernekraft, som holdt atomet kernepartikler sammen, som frigøres som varme. I et atomkraftværk kontrollerer man fissionen med nogle stænger, således at mange af de frie neutroner opfanges. Er processen ude af kontrol, får vi en kernenedsmeltning og forurening med radioaktive stoffer. I en atombombe går kædereaktionen ekstremt hurtigt, og der frigives store mængder af energi på meget kort tid. Et af problemerne med kernekraft er, at der bliver en del atomaffald tilbage, som udsender radioaktiv stråling i mange tusinde år. Atomkraftværk, gammel type som på Fukushima Vi skal nu se på, hvordan varmen fra det varme uran bliver til elektricitet. På tegningen ses atomreaktoren til venstre, hvor uran bliver til nye stoffer og udvikler meget varme. Reaktoren får vand til at koge under højt tryk, og dampen ledes i rør hen til en turbine, som så drejer rundt. Turbinen trækker en generator, som producerer elektricitet. Strømmen går via højspændingsmaster ud til forbrugerne. Ude i boligkvartererne bliver strømmen sat ned til 230 V vekselspænding. Tilbage til turbinen. Når dampen har afleveret sin energi i turbinen, skal vanddampen fortættes til vand i en køler (condenser). Herefter kan vandet pumpes ind i reaktoren igen. Kølesystemet har også et vandkredsløb, som evt. køles med havvand. I Japan var problemet bl.a. at pumperne gik ud af drift på grund af jordskælvet. Vand kortsluttede for elektriciteten, og så er det ikke til at styre atomkraftværket fra kontrolrummet. Man prøvede at få gang i to andre vandkølingssystemer, men de fungerede ikke. Det ene pumpesystem blev drevet af dieselmotorer, som er sårbare over for vand og oversvømmelse. Der er en masse om atomkrisen i Japan på nettet og Youtube. Gå på jagt efter det, du synes er interessant. Til afgangsprøven vil du kunne fortælle nogle af de ting, du har fundet ud af. Elevopgave I notatmappen er der stillet nedenstående spørgsmål. Du skulle kunne besvare dem ud fra indholdet i denne artikel samt avisartiklerne nederst på siden. Nr. Spørgsmål Forslag til svar

16 956 Atomkraft i Japan af 3 1 Hvad er kernekraft? Uran spaltes og frigiver en masse varmeenergi. Det udnyttes i atombomber og atomkraftværker. 2 Forklar kort, hvordan et atomkraftværk virker. Varmen fra kerneprocessen får vand til at koge. Dampen trækker en turbine, som igen trækker en generator, som producerer elektricitet. 3 Fortæl lidt om jordskælvet og tsunamien, der ramte Japan fredag den 11. marts Hvad var årsagen til ulykken på atomkraftværket Fukushima i Japan? En forkastning i havet ud for Japan skabte et jordskælv, en tsunami dannes og kysten oversvømmes med vand. Jordskælvet og tsunamien gjorde det umuligt at styre pumperne til afkøling af atomreaktoren. 5 Har Japan været ramt af ulykker med radioaktivitet før? Anden Verdenskrig afsluttedes med at der faldt to atombomber i august Påvirker atomkrisen dagligdagen i Japan? Folk er blevet evakueret fra området omkring Fukushima. Afgrøder på markerne er forurenet. Folk er nervøse for sikkerheden på Japans mange kraftværker. 7 Hvad er din holdning til atomkraft i Danmark? Danske politikere ønsker ikke atomkraft. De har valgt andre former for energi. Avisomtale BTs netavis BTs netavis BTs netavis Stråling påvirker kroppen Reaktornedsmeltning - find 5 fejl Tegneserie

17 956 Bestrålede frø 1 af 1 Fællesforsøg Spiringsforsøg Radioaktivitet påvirker levende planter og dyr. Frø kan miste spiringsevnen, som vi ser i dette forsøg. I dette forsøg har vi nogle poser med frø, som har været udsat for forskellige doser radioaktivitet. Der er brugt en Cobolt-60 kilde på Forskningscenter Risø (ved Roskilde). De bestrålede frø er ikke radioaktive. Strålingsdosen er angivet i GY, hvilket læses gray. Resultater De ikke-bestrålede hvedekerner spirer selvfølgelig fint. Dem med 100 og 200 GY har lidt nedsat spiringsevne. Rummene med 400 og 800 GY har en lille spire på kun 1 cm GY har slået alt ihjel.

18 956 Tjernobyl af 1 1. Hvad er kernekraft? Hvordan virker et atomkraftværk (kernekraftværk)? Hvad skete der i Tjernobyl den 26. april 1986? Danmark har ikke atomkraft, men både Sverige, Finland, Tyskland og Frankrig har. Synes du, at Danmark skal have atomkraft? Hvad er din holdning til atomkraft? Besvarelsen afleveres på A4-ark. Der gives en karakter for besvarelsen. Siderne skal sættes senere ind i mappen med forsøgsbeskrivelser. Du vil kunne bruge materialet til afgangsprøven. DR har meget om Tjernobyl. /2006/04/ htm?PagePos=2 Her til højre ses et luftfoto af den ødelagte reaktor. Billedet er vist på mange hjemmesider og forhåbentlig ikke underlagt copyright...

19 957 Geigertælleren 1 af 1 Vi kan ikke føle, se eller høre radioaktivitet. Derfor må vi bruge en apparat, som kan påvise strålerne. Så tidligt som i 1908 lavede den tyske fysiker Hans Geiger et instrument, der kunne måle alfa-stråler. I 1928 forbedrede Walther Müller udstyret, som derfor kom til at hedde en geiger-müller-tæller. Sådan virker den En geiger-tæller består af et GM-rør og en tæller. Herunder ses en tegning, hvor en strømkilde er tilsluttet, så rørets væg er negativ (katode) og en metaltråd i midten er positiv (anode). Den radioaktive stråling kommer ind i røret fra venstre. I vinduet er der en tynd membran ind til kammeret, hvor der er et let undertryk (vacuum). Når en alfa-, beta- eller gammastråle rammer et atom inde i røret, slås der en elektron løs, og atomet bliver til en ion. Elektronen tiltrækkes af den positivt ladede metaltråd midt i røret, og ionen går ud mod væggen. Dette skaber et lille elektrisk stød, som tælleren opfanger.

20 958 Kernekort Søg Vore grundstoffer fremtræder ofte i forskellige varianter, det kan være som ioner eller isotoper. En ion har noget med antallet af elektroner ude i skallerne at gøre. En isotop har med kernen at gøre. Ændrer vi på antallet af neutroner i kernen, får vi en isotop. For at få oversigt over alle isotoperne bruger man et kernekort, også kaldet for nuklidkort eller isotoptavle. Der er flere på nettet. Her er først linket til en mindre udgave, som bl.a. fortæller noget om halveringstiden for de mindste atomer. atom.kaeri.re.kr/ton/tool/nuchart /nuchart1.gif Det næste link er meget avanceret. Her er mange flere oplysninger med, end nogen elev i 9. klasse eller gymnasiet når at få overblik over. Har du mod på et indblik i, hvor meget radioaktivitet i dag fylder i fysikernes verden, så tryk her... wwwndc.jaea.go.jp/cn10/js-beta/ Øvelsen i elevmappen Hvad går forsøget ud på? Hvad skal vi lave i klassen og hvad skal vi tænke på til prøven i FSA i juni måned? Her er ordene fra A4-papiret og et udsnit af illustrationen... Formål At forstå hvordan et kernekort er opbygget At lære begreberne isotop- og nuklidkort at kende At blive bekendt med isotopen kulstof 14 Materialer PC med netadgang Kernekort Fremgangsmåde Tegn kernekortet færdigt i de rubrikker, hvor der mangler kernepartikler/atomdata Forklar hvad en isotop er Tegn kulstof 14 færdig og find oplysninger om den på nettet eller i en bog 1 af :28

21 958 Kernekort 2 af :28 Copyright 2015 Forlaget hjerteportal Gå til toppen af siden

22 959 Prøvespørgsmål 1 af 1 Hele emnet/kapitlet om Radioaktivitet kan opsummeres i et prøvespørgsmål. Her et eksempel: Tegn og fortæl, planlæg og udfør nogle forsøg, der siger noget væsentligt om: Radioaktivitet Tag f.eks. udgangspunkt i følgende: Sådan opstår radioaktivitet Alfa-, beta- og gammastrålings egenskaber Du kan også komme ind på: Halveringstid Radioaktiv forurening Anvendelse af stråling Når du har læst spørgsmålet her i rammen ovenover, så prøv at forestille dig, at du er til afgangsprøven i fysik/kemi. Lav en disposition som viser, hvordan du vil gribe det hele an: Hvilke to forsøg vil du gennemføre fra først til sidst? Hvilke forsøg vil du evt. blot omtale mundtligt? Hvor vil du finde teori i tekstbogen, som støtter forsøgene Sæt teorien op i en logisk rækkefølge. Forklar, hvorfor den valgte teori er relevant.