Radioaktivitet

Forrige forsøk handlet om halveringstiden til radioaktive stoffer, denne gangen jobbet vi med målingen av eksempler på radioaktive stoffer. Vi brukte dosimeteret Radex 1706 for å måle strålingen fra orthitt, euxenitt og raudberg. Og vi leste for å lære om tre radioaktive isotoper: Strontium-90, Americum-241 og Cesium-137.

Den fysiske halveringstiden for et radioaktivt stoff er tiden det tar før halvparten av atomene er omdannet til et ikke-radioaktivt stoff. Den biologiske halveringstiden referer til hvor lang tid det tar før stoffet er ute av planters, dyrs eller menneskers system.

Strontium-90 er et radioaktivt isotop som fremstilles som et radioaktivt avfallsstoff fra kjernefysisk sprenging. Det kan da finnes i kjernereaktorer og kjernekraftverk. Siden det genererer en del varme erstatter Strontium-90 ofte Plutonium i kjernekraftverk. Det har en fysisk halveringstid på 28,8 år og biologisk halveringstid på alt mellom 14 og 600 dager til en øvre grense på så mye som 49 år. Dette er fordi metabolismen i kroppen er så varierende, dermed er en gjennomsnittlig biologisk halveringstid estimert på 18 år. Strontium brukes i industrien og som medisin mot enkelte typer kreft, men kan også forårsake beinkreft. Strontium-90 sender ut betastråling.

Americum-241 er et radioaktivt isotop som også fremstilles som et radioaktivt avfallsstoff. Det sender ut alfastråling og er derfor farlig om det kommer inn i kroppen, altså svelges eller inhaleres. Americum-241 er det vanligste isotopet fra americum, og vi finner den for eksempel i husholdningen i form av røykvarslere. Det gir en svak gamma-stråling også men den er så liten at den kan ofte ignoreres. Faren ligger da i bruken av americum-241 stråling i medisinsk behandling. Det er blitt brukt innenfor radiografi, men det er bare eksperimentelt pga den lange halveringstiden på 432,2 år, i tillegg til at det tar så lang tid og dermed øker eksponeringen for gammastrålingen.

Fremstillingen av cesium-137 er i motsetning til strontium-90 og americum-241 en menneskelagd prosess. Cesium-137 reagerer lett med vann og sprer seg dermed veldig raskt, spesielt om det kommer inn i kroppen. Motgiften Prøyssisk blå (et mineralsk pigment) kan redusere den biologiske halveringstiden fra 70 til 30 dager og kan da være nok til å redde liv. Den fysiske halveringstiden er 30,2 år. Cesium-137 kan brukes i både industri og medisin, men er ikke veldig vanlig fordi det er ustabilt og sprer seg så raskt om det kommer i kroppen. For eksempel kan isotopet brukes til å datere vin og oppdage forfalskninger. Cesium-137 sender ut beta- og gamma-stråling.

Forskning fra UNSCEAR (United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation) viser at påstanden om at barn er mer utsatt for skader ved utsettelse for radioaktivitet bare er delvis sann. Noe kroppsvev hos barn er mer resistent enn hos voksne så for eksempel når det kommer til utvikling av lungekreft er de mindre utsatt enn voksne. Mens når det kommer til for eksempel leukemi eller hjerne-kreft er de mer utsatt enn voksne. Årsaken til dette kan ha noe med ulikheter i kroppsbygging hos barn fra voksne og at barn ikke er ferdig utviklet, men det er fortsatt mye spørsmål rundt det og det forskes på.

Dosimeteret Radex 1706 er et litt kronglete utstyr å bruke dersom man ikke er kjent med det, så dette skal jeg gi en enkel og kort forklaring på.  For å gjøre det litt enklere å henge med kaller jeg den store knappen til høyre for A, den lille øverst til venstre for B og den lille under B for C. For å skru på dosimeteret trykker du på A, for å skru det av holder du knappen inne.

Det er lett å navigere seg rundt på dosimeteret så lenge man vet at:

 A-knappens funksjon er å gå tilbake. Inne på menyen og valgene der, vil du da bruke A for å gå tilbake.

B-knappens funksjon er å bla. Du blar gjennom valgene på menyen ved å trykke på den.

C-knappens funksjon er å velge. Det er C-knappen du trykker på for å komme inn på menyen og så for å velge alternativene inne på menyen.

Når du er ute av menyen starter målingen av seg selv, så lenge dosimeteret er på. Fordi at stråling sendes ut i bølger er målingene mer nøyaktige om du gir litt tid til målingen.

Det store tallet vi ser i midten på skjermen er mengden radioaktivitet, oppgitt i µSv (micro-Sievert). Der det står 0.30 er terskelsignalet, dersom signalet vi plukker opp er høyere enn dette vil dosimeteret pipe. Vi har terskelsignalet på det laveste mulig, dette kan vi også still inn på menyen. Det er et gjennomsnitt av all strålingen den har lest i løpet av målingstiden. Det vil si at den ikke bare plukker opp stråling fra det du ønsker å måle, men også bakgrunnsstråling. Det vil også si at det dermed alltid vil gi utslag.

Våre resultater fra måling:

Bakgrunnsstråling inne i klasserommet: 0,12 µSv

Bakgrunnsstråling i gangen: 0,17 µSv

Bakgrunnsstråling ute: 0,15 µSv

Orthitt (stein nr. 1): 0,96 µSv

Euxenitt (stein nr. 2): 0,40 µSv

Raudberg (stein nr. 3): 0,15 µSv

Pga bergarter og slikt er det naturlig at det er mer stråling ute enn inne, dette stemte jo med målingene fra klasserommet, men ikke i gangen. Det er fordi murveggen i gangen inneholder mye granitt, som er en naturlig kilde til stråling. Orhitt ga høyest utslag på stråling, av steinene vi målte. Vi ventet ikke så veldig lenge for å måle lenge, og hver måling gjennomførte vi bare én gang. Dette sammen med at det kan være unøyaktigheter med dosimeteret.

Halveringstid for radioaktivitet

For å bli mer kjent med halveringstiden til et radioaktivt stoff, illustrerte vi prosessen i når atomkjernen deler seg. 

Vi kasta 20 terninger fra en kopp og plukket ut et gitt tall (f.eks. vi plukket ut alle enerne for hvert kast). Dette gjorde vi i 5 serier på 10 kast hver, og lagde en kurve basert på summen av seriene. Hvert kast sto for ett minutt hver. 

Fra kurven så vi at for dette hypotetiske radioaktive stoffet ville det ta ca. 5 minutter før halvparten var gjort om til et ikke-radioaktivt stoff. 

Spekter

Jeg utførte et forsøk for å bli bedre kjent med de ulike spektrene for synlig lys, det er ståling med bølgelengde mellom 400-700nm. Det gjorde jeg ved å se på lys fra ulike kilder, gjennom et spektroskop. Spektroskopet skiller elektromagnetiske stråler så vi kan se de i form av et spekter. Det finnes tre forskjellige spekter, sammenhengende spekter, emisjonsspekter og absorbsjonsspekter.

Jeg skulle utføre forsøket med ulike lyskilder, for å se de ulike spektrene. Jeg så da på sollys, lys fra et lysstoffrør, lys fra et telys, lys fra en sparepære og lys fra en UV-lampe. UV-stråling har for korte bølgelengder til at vi egentlig kan se det, det er utenfor spekteret av synlig lys. Men jeg vet at det er andre lyskilder rundt oss som ødelegger for troverdigheten og nøyaktigheten i forsøket, og dette kan gjøre det mulig å se noe fra denne lampen også.  Dessuten var lampene veldig gamle, så det kunne hende dette hadde noe å si.

Sammenhengende spekter ser vi når lyskilden er et fast stoff. Derfor tenkte jeg at lyset fra telyset ville vise et sammenhengende spekter.

Emisjonsspekter viser hvilke bølgelengder et atom sender ut, (dvs. emiterer). Det ser vi når lyskilden er en brennende eller oppvarmet gass.. Jeg forventet å se dette når jeg så på sparepæra og lysstoffrøret.

Absorbsjonsspekter ser vi når vi ser lys gjennom gasser. Det viser hvilke bølgelengder et atom har absorbert. Dette forventet jeg å se når jeg så på sollys.

Hvert grunnstoff har sin egen kode (kan sammenlignes med DNA) for hvilke bølgelengder det absorberer og emiterer.

Her er eksempler på emisjonsspekter:

Emisjonsspekteret for Nitrogen (N):

Emisjonsspekteret for Oksygen (O):

Når jeg utførte forsøket ble ikke resultatet for alle lyskildene, helt som forventet.

Telyset skulle vise sammenhengende spekter, og det gjorde det:

Sparepæra skulle vise emisjonsspekter, men det gjorde det ikke. Det viste et sammenhengende spekter:

Lysstoffrøret skulle også vises i et emisjonsspekter, og det gjorde det:

Vi vet at det er nitrogen i lysstoffrør. Spektroskopet var jo ikke veldig nøyaktig, og bildene ble litt uklare, men dette kan se veldig ut som emisjonsspekteret til nitrogen:

Sollyset skulle vises i et absorbsjonsspekter, men det så jeg også som et sammenhengende spekter:

Begge gangene jeg fikk et resultat som ikke stemte med bakgrunns-researchen tenkte jeg på feilkilden i at vi ikke klarer å isolere strålingen fra én lyskilde, når det er så mange andre lyskilder rundt.

UV-lyset skulle jo som sagt egentlig ikke vise seg i spektroskopet, men det gjorde det. Naturligvis ser vi bare korte bølgelengder:

Drivhuseffekt

I media omtales drivhuseffekten ofte som et problem, men da menes ikke drivhuseffekten i seg selv, men heller en for stor effekt. Drivhuseffekten er nemlig grunnlaget for alt livet på jorda. Den kommer av drivhusgassene i atmosfæren, uten de ville jordas gjennomsnittstemperatur vært på -19°C.

Når solstråler treffer jorda fungerer atmosfæren, spesielt ozonlaget (et lag i atmosfæren) som et slags filter mot for mye UV-stråling og for mye varme. Noe av varmestrålene absorberes i jordoverflata, men mye reflekteres tilbake til atmosfæren. Her går noe ut av atmosfæren vår, mens noe reflekteres igjen. Og sånn fortsetter det. Dette fører til at én stråles varme utnyttes gjennom reflektering, det er takket være drivhusgassene i atmosfæren som gjør at strålingen ikke kommer gjennom like lett. Dette er drivhuseffekten.

Vi utførte to forsøk, et for å undersøke hvordan drivhusgasser kan gi økt temperatur og et for å se hva som skjer med havnivået dersom drivhuseffekten blir for stor og isen smelter.

Det første forsøket var delt i tre. Siden sola gir oss både lys og varme, holdt vi først opp en glassplate (symboliserer atmosfæren) mot et lysstoffrør (symboliserer sollyset), og så om det synlige lyset ble hindret av glassplata. Det ble det ikke.

Videre undersøkte vi hvordan det påvirker varmen. Vi skrudde på en kokeplate på middelsvarme og holdt hånda så nær som mulig. Så holdt vi glassplata mellom og merket med en gang en drastisk forskjell. Det gikk fra å være veldig varmt på hånda til at all varmestrålingen ble stoppet.

 

Siste del av det første forsøket var å legge to termometre i hver sin plastboks. Temperaturen skulle da naturligvis være lik, men vi hadde litt feilkilde i at det ene viste 25°C og det andre viste 22°C. Vi dekket den ene med en plastpose, og prøvde å tette det så godt vi kunne, før vi satte begge under en lampe. Etter en stund så vi på termometrene og igjen stemte ikke resultatet helt med det vi forsøkte å bevise. Temperaturen i boksen uten plast hadde økt med to grader, mens temperaturen i den med plast (som skulle fungere som atmosfæren) hadde bare økt med en grad. Det skulle jo i teorien vært motsatt, men det at termometrene ikke visste samme temperatur til å begynne med indikerer jo at bare her hadde vi en feilkilde. I tillegg var plastposen ”frosta” så lyset og varmen slapp ikke så godt inn, dessuten hadde vi ikke klart å tette igjen så godt heller, siden termometeret måtte stikke ut.

Del to av forsøket var som sagt å se hva som ville skje med havnivået om isen smelter, som resultat av økt drivhuseffekt. Vi fylte to kar med vann (symboliserer havet) og satte to tunge gjenstander (symboliserer land) oppi. Deretter plasserte vi en isklump nedi det ene karet og en oppå den tunge gjenstanden i det andre karet. Vi målte vannhøyden med en linjal og (med enden på linjalen også tatt med i beregningen) fikk 2,5cm på den ene og 2,7cm på den andre. Så ventet vi på at isklumpene skulle smelte og målte vannhøyden på nytt.

 

I karet med isklumpen nedi vannet hadde ikke vannhøyden endret seg, men i karet med isklumpen oppå ”landet” var vannhøyden økt med 0,4cm.

På grunn av massetettheten i is vil ikke vannivået endre seg når isen i vannet smelter, selv om is har større volum enn vann. Det er fordi isen flyter, med deler av volumet over overflaten, som gjør at dette veies ut når isen smelter.

Galvaniske elementer

Vi utførte to sammenhengende forsøk for å lære mer om galvaniske elementer. Et galvanisk element vil si at det omdanner kjemisk energi til elektrisk energi. Det første forsøket var som en oppvarming og innhenting av bakgrunnskunnskap til det andre. For å lage et galvanisk element trenger vi to forskjellige metaller, som ligger unna hverandre i spenningsrekka så de kan reagere i en redoksreaksjon, og en elektrolytt (en væske som leder strøm). I det  første forsøket lagde vi et sitronbatteri. Da var sitronsaften elektrolytten. Vi satte ulike metaller i sitronen og koblet til et voltmeter. Resultatet så vi opp mot spenningsrekka. For å best mulig utnytte sitronen som elektrolytt trilla vi den med press for å skvise ut safta inni sitronen.

Vi prøvde å bruke sink (Zn) og kobber (Cu). Siden sink kommer før kobberet på spenningsrekka var det den vi plugget i som katode og kobberet som anode.

Li, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt

Dette ble resultatet:

Vi prøvde også bly (Pb) sammen med kobber (Cu), som står veldig nærme hverandre i spenningsrekka. Da var bly katode og kobber anode. Så prøvde vi magnesium (Mg) sammen med bly (Pb), der magnesium var katode og bly anode.

Li, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt

Dette ble resultatene:

Videre testet vi også magnesium sammen med to ulike biter med kobber; en kobbertråd og en kobbermynt.

Li, Na, Mg, Al, Zn, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Ag, Hg, Au, Pt

Dette ble resultatet:

Kobber og kobber er jo det samme, de ulike spenningene kan derfor skyldes for eksempel at kobbermynten vår ikke var ren nok, den var oksidert.

 _________________________________________________________

Det andre forsøket vi utførte var å lage en daniellcelle. Daniellcellen består av en elektrolytt og to halvceller; sinkhalvcelle og kobberhalvcelle. Sinkhalvcellen, som er katoden, var en sinkstang (Zn) i sinksulfatløsning (ZnSO₄) og kobberhalvcellen, som er anoden, var en kobberstang (Cu) i kobbersulfatløsning (CuSO₄).  Vi koblet halvcellene sammen med elektrolytten som i dette forsøket var et papirtørkle dyppet i natriumsulfat (Na₂SO₄).

Spenningen i et galvanisk element kalles elektromagnetisk spenning. Batteriet vi nå har laget vil fortsette å gi elektromagnetisk spenning så lenge stoffet i katoden (altså sinkstanga) fremdeles er der og kan oksideres. Det er nemlig slik batteriet fungerer, vi fremkaller akkurat samme redoksreaksjon som i forsøket ”Enkle redoksreaksjoner ” ( http://naturfagsblogg-marianne.blogspot.no/2015/10/vi-tok-for-oss-et-enkelt-forsk-der-vi.html ). I stedet for at redoksreaksjonen skjer direkte mellom stoffene har vi plassert reaksjonen i en strømkrets. Vi kobler strømkretsen opp til et voltmeter og ser følgende:

Vi brukte et tykkere papirtørkle og så at dette skapte økt spenning. Det er fordi elektrolytten nå kan frakte flere elektroner og redoksreaksjonen skjer fortere. Som vi ser her:

Videre koblet vi fem batterier sammen for å få mest mulig spenning:

 

Så byttet vi ut voltmeteren med en liten lyspære (NB: lyset er svakt):