RÉSZECSKESUGÁRZÁS DETEKTÁLÁSÁNAK ÉS ÉRTÉKELÉSÉNEK SZEMLÉLETES MÓDJA A FIZIKAOKTATÁSBAN Hudoba György Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ, Székesfehérvár ÖSSZEFOGLALÁS A részecskesugárzás detektálására használt eszköz, a GM-cső jellegzetes kattogását számítógépen rögzítjük. A különböző háttérsugárzású helyeken (lakás, bazaltbánya, magasan szálló repülőgép) rögzített beütések hangfeldolgozó program segítségével egy időben megjelenítve vizuálisan azonnal áttekinthetők, összehasonlíthatók, értékelhetők. Mivel az alkalmazott program segítségével a beütések időpontja adatsorként kimenthető, a későbbiekben számítógép segítségével feldolgozható. ABSTRACT The typical ticks of GM tubes, which is mostly used for detecting particle radiation, were recorded on a computer. We measured the background radiation on different locations such as in the house, in a basalt mine, and on a high flying plane. Because we recorded the ticks using an audio processing program, the frequency of the beats can be easily visualized and visually compared. Moreover, because the time of the ticks can be exported to a text file, the recorded data can be processed and statistically analyzed. KULCSSZAVAK/KEYWORDS részecskesugárzás, oktatás, Hunveyor particle radiation, physics education, Hunveyor BEVEZETÉS A részecskék detektálására nincsenek érzékszerveink, így a részecskesugárzások természetére nézve nincsenek hétköznapi tapasztalataink, nincs veszélyérzetünk, mikor kellene, esetenként viszont indokolatlan pánikot kelt a sugárzás szónak még az említése is. Az oktatásban ezért fontos, hogy megfelelő módon foglalkozzunk a témával. A beütések gyakoriságának, eloszlásának, statisztikus jellegének és értékelésének megismerése sokat segíthet a hétköznapi életben való eligazodásban is, gondolok itt az információközlő csatornák szenzációra éhes híreinek, félig megértett, vagy szándékosan félremagyarázott közleményeinek helyes értelmezésére. Sugárzásmérő detektor az Óbudai Egyetem Alba Regia Egyetemi Központjában épülő HUNVEYOR-4 gyakorló űrszondán is helyet kapott, ami azt a célt szolgálja, hogy a hallgatók figyelmét a részecskesugárzások tanulmányozásának irányába, a fizika felé fordítsuk.
A RADIOAKTIVITÁS FELFEDEZÉSE A radioaktivitás felfedezése éppúgy, mint a fizika több más váratlan eseménye tisztán véletlenül történt Henry Becquerel francia fizikus 1896 elején, miután hallott Wilhelm Conrad Röntgen német fizikus előző évi felfedezéséről - mi szerint az X-sugarak áthatolnak a kartonon, a fekete papíron, sőt az emberi testen is - elhatározta, hogy megvizsgálja, vajon a rájuk eső fény hatására világító, fluoreszkáló anyagok emittálnak-e valami röntgensugárhoz hasonlót. Mivel Becquerel azt gondolta, a sugárzás külső megvilágítás eredménye, az ablakpárkányra tűző napra erős fluoreszkáló tulajdonságáról ismert uranil kristályokat helyezett, melyek alá fekete papírba becsomagolt fényképlemezt tett. Előhívás után a kristályok alatt a lemezeken tisztán kivehető volt egy-egy fekete folt. A párizsi eget 1896. február 26-án és 27-én sötét felhők borították, s Becquerel néhány napra a becsomagolt fotólemezeket és a kristályokat a fiókjába rakta. Mikor legközelebb március elsején ismét elővette kísérletét, és előhívta a lemezt, az eddigi sötét foltok helyett szénfekete nyomokat kapott a kristályok alatt. Vagyis a sötétedés a bezárt fiókban is folytatódott, és nyilvánvalóan semmi köze nem volt a megvilágításhoz [Gamow, 1965., Gamow Cleveland 1973.]. A FÖLDET ÉRŐ RÉSZECSKESUGÁRZÁS A Föld légkörét állandó részecskesugárzás záporozza. A részecske- vagy más néven korpuszkuláris sugárzás egyik fajtája a napszél, mely protonokból és elektronokból áll. (A Nap másodpercenként kb. egymillió tonna atomos anyagot dob ki a térbe, amiből a Földet érő hányad másodpercenként mintegy fél kilogramm. E részecskék sebessége különböző, átlagosan 700 km/s.) [Kulin Róka, 1980.] A részecskesugárzás másik fajtáját, a közel fénysebességgel érkező részecskesugárzást (energiájuk 10 9 10 20 ev között van) kozmikus sugárzásnak nevezzük, melyet 1911-ben Hess és Kohlhörster fedezett fel. (Az űrszondák méréseiből tudjuk, hogy a kozmikus sugárzás erőssége nő a Naptól való távolsággal.) A légkör külső határához érkező primer kozmikus sugárzás a Föld felszínén nem észlelhető, a részecskék ugyanis kölcsönhatásba lépve a légkör atomjaival és molekuláival igen bonyolult és sokféle folyamatot váltanak ki. Az így keletkező szekunder sugárzásban megkülönböztetünk egy lágy és egy kemény komponenst. Az ismételt ütközések során egyre több részecske és foton keletkezik. A lágy szekunder sugárzás a primer sugárzás részecskéinek lefékeződéséből származik. Egyetlen primer részecske egész kaszkádzáport vált ki. A szekunder kozmikus sugárzás kemény komponense mezonokból áll, és energiájuk olyan nagy, hogy a Föld kérgébe több száz méterre, a tengervízben akár egy kilométer mélyre is lehatolnak. A RÉSZECSKESUGÁRZÁS DETEKTÁLÁSA Hans Geiger és Ernest Marsden a Manchesteri Egyetemen Ernest Rutherford vezetése alatt az anyag szerkezetének felderítésére szolgáló szóráskísérleteket végeztek. Az egyetem pincéjében teljes sötétségben végzett kísérletekben a cinkszulfid ernyőbe becsapódó α- részecskék keltette halvány felvillanásokat kellett hónapokon, éveken át számlálni. Az idegölő és lélekromboló munka megkönnyítése érdekében Geiger 1908-ban kiötlötte a számlálócsövet, melyet később Rutherford egyik PhD diákja, Walther Müller tökéletesített. A Geiger-Müller-féle számlálócső a radioaktív sugárzás kimutatásának és mérésének ma is egyik legfontosabb eszköze. [Finkelnburg, 1958.] Ha a számlálócsövön egy ionizáló részecske halad át, a keletkezett ionok a centrális elektróda körüli erős villamos térben olyan nagy mértékben gyorsulnak, hogy ionizáció révén további szekunder ionokat keltenek. A szekunder ionizáció révén megnövekedett töltés feszültséglökést eredményez. Ezeket a
feszültséglökéseket számlálják, illetve hallhatóvá téve kapjuk a számláló jellegzetes kattogását. 1, ábra A Geiger-Müller számlálócső A Geiger-Müller számlálócső, melynek több típusa is létezik, a gáztöltésű számlálók közé tartozik. Órai demonstrációs kísérletekre GM-csöves illetve trinitron csövet tartalmazó eszközöket használunk, míg a HUNVEYOR-4-en levő érzékelő félvezető detektort tartalmaz. A félvezető detektorok elvben ugyanúgy működnek, mint az ionizációs kamrák, azaz egy töltött részecske hatására a félvezetőben töltéshordozók szabadulnak fel, melyek az elektromos tér hatására az elektródákhoz áramlanak, és ott feszültségimpulzust keltenek. A félvezetők nagy előnye, hogy míg egy elektron szabaddá válásához a gáztöltésű számlálóban 30 ev, addig a félvezetőkben átlagosan 3,6 ev szükséges. A SZEMLÉLETES SUGÁRZÁSMÉRÉS Hogy a sugárzásra vonatkozóan szemléletes, esetleg még számszerű eredményeket is lehessen kapni, a detektort a laptop mikrofonja elé helyezve a kattogásokat az ingyenesen letölthető AudaCity programmal a számítógépen rögzítettük. A mintegy tíz percnyi felvételeken a hangsávban szépen látszanak a beütéseket jelző tüskék. 2. ábra Épületben rögzített felvétel
3. ábra A Balaton-felvidéken, a diszeli bazaltbányában rögzített felvétel 4. ábra Repülőgépen, 11 ezer méter magasban rögzített felvétel A felvételeket később vissza lehet hallgatni, sőt a programmal az egyes csatornákban egymás alá lehet helyezni, s vizuálisan azonnal össze elehet hasonlítani egymással, valamint ki lehet nagyítani belőlük részleteket is. Erre mutat példát az 5. ábra. A képek magukért beszélnek. 5. ábra A fenti három felvétel egy fél perces részlete egymás alatt
A program azonban ennél sokkal többre is képes. A beütéseknek a felvétel kezdetétől számított időpontjait adatfájlba menthetjük. Az eljárás a következő. Betöltünk egy adatfájlt, majd kijelöljük a vizsgálni kívánt részletét Az Analizálás menüpont alatt kiválasztjuk a Beat Finder... funkciót Beállítjuk a beütés amplitúdójának küszöbértékét, amit általában próbálgatással célszerű megkeresni, majd az OK gombbal elindítjuk az analizálást. Egy kis idő múlva a hangsáv alatt megjelenik egy új sáv, amelyen az egyes kattanások helyét egy B betű jelzi. (5. ábra) Utolsó lépésként a File menü Címkék exportálása pontjára kattintva a beütések időpontjait elmentjük 6.ábra A beütések időpontjait jelölő címkesáv Az alábbiakban egy részlet látható a rögzített eredményből.... 8,408000 8,408000 B 15,638000 15,638000 B 16,362000 16,362000 B 16,923000 16,923000 B 18,219000 18,219000 B 18,406000 18,406000 B...
Az első adat a beütés kezdetét adja meg ezred másodperc pontossággal, a második a végét, míg B a beütés címke. Ezzel az időadatok a számítógépen előálltak. amelyhez majd megfelelő programot lehet készíteni az adatok feldolgozására, értékelésére. A kiértékelés tudományos igényű elméletét és gyakorlatát az irodalom [Jánossy, 1968.] részletesen tartalmazza. IRODALOMJEGYZÉK G. Gamow: A fizika története, Gondolat, Bp. 1965. G. Gamow J.M.Cleveland: Fizika, Gondolat, Bp. 1973. Jánossy Lajos: Mérési eredmények kiértékelésének elmélete és gyakorlata, Akadémiai Kiadó, Bp. 1968. Kulin György Róka Gedeon: A távcső világa, Gondolat, Bp. 1980. Wolfgang Finkelnburg: Bevezetés az atomfizikába, Műszaki Könyvkiadó, Bp. 1958. Néhány hasznos Internetes forrás: http://astro.elte.hu/icsip/csillkozi_anyag/kozmikussugarzas/index_in.html http://hmika.freeweb.hu/erdekes/html/sugarzas.htm http://hu.wikipedia.org/wiki/kozmikus_sugárzás http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivitás http://hu.wikipedia.org/wiki/rutherford-kísérlet http://ion.elte.hu/~pappboti/radioaktivitas/cimlap/tematika/radioakt/ionizalosugarzas/detektorok.htm http://iqdepo.hu/dimenzio/02/12.html http://www.ejf.hu/oktkut/kiallitas/oldalak/eszkozok.htm http://www.elektroncso.hu/cikkek/gmcso.php http://www.hobbielektronika.hu/forum/topic_2454_3_asc.html http://www.hwsw.hu/hirek/43122/kozmikus-sugarzas-kritikus-megbizhatosag-szamitogep.html http://www.klte.hu/~wwwinorg/essays/essay036.html http://www.korunk.org/?q=node/8&ev=1929&honap=6&cikk=4884 http://www.kzs.hu/tudastar/fizika/radioaktivitas.ppt#20 http://www.mimi.hu/csillagaszat/kozmikus_sugarzas.html http://www.omegalabs.eu/html/geiger_szamlalo.html http://www.radprocalculator.com/gamma.aspx http://www.sg.hu/cikkek/38494/a_kozmikus_sugarzas_szab_hatart_az_urutazas_hosszanak http://www.sulinet.hu/tart/cikk/ab/0/13667/2 http://www.supernova.hu/ujhirek/marcius/cosray/index.htm SZERZŐ Hudoba György, főiskolai docens Óbudai Egyetem, Alba Regia Egyetemi Központ 8000 Székesfehérvár, Budai út 45. hudoba.gyorgy@arek.uni-obuda.hu