مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

صمم تجربتك

استكشاف الإشعاع

تستخدم كاشفات الإشعاع طرائق مختلفة للكشف عن وجود الإشعاع. من الأنواع الشائعة للكواشف المستخدمة أنبوب جايجر–مولر. وهو يتكون من أنبوب فلزي مملوء بغاز عند ضغط منخفض وسلك شبك طويل على طول محور الأنبوب. يخضع السلك لفرق جهد عال 400–800 V بالنسبة إلى الأنبوب الفلزي. ويوجد عند إحدى نهايتي الأنبوب نافذة رقيقة وهشة.

عندما يدخل فوتون أو جسيم مشحون بطاقة عالية إلى الأنبوب من خلال النافذة فإن جزءًا من الغاز يصبح مؤينًا، فتنجذب إلكترونات التأين في اتجاه السلك وتزداد سرعتها، ومن ثم تؤين ذرات إضافية مكونة نبضة من الشحنات تصطدم بالسلك. وتتحول نبضة الشحنة هذه إلى نبضة جهد، ثم تضخم وتعد أو ترسل إلى مكبر الصوت.

تعلمت سابقًا أن الضوء والإشعاع الكهرومغناطيسي ينتشر في جميع الاتجاهات، ويسير في خطوط مستقيمة من المصدر، كالشمس مثلًا. في هذه التجربة سوف تستكشف العلاقة بين المسافة من مصدر جاما وبيتا المشع، وشدة الإشعاع المقيس.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_استكشاف_الإشعاع_الأدوات_والكاشف.png

سؤال التجربة

ما العلاقة بين المسافة من مصدر إشعاع جاما وبيتا وشدة الإشعاع؟

الأهداف

• تقيس الإشعاع.
• تستخدم المتغيرات والثوابت والضوابط لتصميم تجربتك.
• تجمع وتنظم البيانات عن النشاطية الإشعاعية لأشعة جاما وجسيمات بيتا بدلالة البعد عن المصدر.
• تقارن وتستنتج نشاطية بيتا وجاما الإشعاعية.

احتياطات السلامة

• إذا استخدمت عداد جايجر فحافظ على بقاء الأيدي والأقلام وغيرها من الأشياء بعيدة عن نهاية أنبوب جايجر؛ فنافذة الأنبوب رقيقة وهشة جدًا.
• صل الأجهزة في المقابس المحمية فقط؛ تجنبًا لخطر الصدمة الكهربائية.
• لا تأكل أو تشرب في أثناء العمل بالمواد المشعة.
• كن حذرًا من تمزق فتحة الحافظة البلاستيكية الحامية للمادة المشعة. فإذا حدث ذلك فأبلغ معلمك فورًا.

المواد والأدوات

| المواد والأدوات |
| -------------------------- |
| مصادر بيتا وجاما |
| عداد إشعاعي أو كاشف إشعاعي |
| مسطرة مترية |
| شريط لاصق |
| ساعة وقف |

الخطوات

1

يختلف نوع عداد الإشعاع أو أنبوب جايجر–مولر، والأنابيب المتوافرة في المدارس بعضها عن بعض كثيرًا. يجب أن تأخذ هذا في الحسبان في خطواتك، وكذلك الاهتمام بكيفية تجميع وحمل الجهاز المتوافر وكل من الكاشف والمادة المشعة.

2

عندما يكون الكاشف على بعد 1 m على الأقل بعيدًا عن المواد المشعة، قم بتشغيل الكاشف، وقس الإشعاع. وهذا يسمى الإشعاع الأولي. سجل المقدار في جدول البيانات.

3

قس إشعاع بيتا وجاما الصادرين عن المصادر المشعة لديك وعلى مسافات مختلفة.

4

اطرح معدل الإشعاع الأولي من معدل الإشعاع المسجل للحصول على النشاطية المصححة.

5

تأكد أن تفحص، بمساعدة معلمك، وتتأكد من تصميمك قبل أن تواصل تجربتك.

جدول البيانات

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_بيانات_استكشاف_الإشعاع.png

| المسافة cm | بيتا – المقيسة معدل الإشعاع cpm | بيتا – المصححة معدل الإشعاع cpm | جاما – المقيسة معدل الإشعاع cpm | جاما – المصححة معدل الإشعاع cpm |
| ---------: | ------------------------------- | ------------------------------- | ------------------------------- | ------------------------------- |
| 2 | | | | |
| 4 | | | | |
| 6 | | | | |
| 8 | | | | |
| 10 | | | | |
| 12 | | | | |
| 14 | | | | |

الإشعاع الخلفي:
cpm = عدات لكل دقيقة

التحليل

1. لاحظ واستنتج

ما مقدار الإشعاع الأولي في هذه التجربة؟

2. مثل بيانيًا واستخدم الرسوم البيانية

عين نقاطًا على الرسم البياني تمثل معدل إشعاع جاما مقابل بعد، ثم عين البعد على المحور الأفقي ومعدل العد المصحح للعينة على المحور الرأسي.

إذا كانت معدلات العد متماثلة فعين معدل عد بيتا على الرسم البياني نفسه، وميز الرسم البياني لكل مجموعة بيانات.

3. مثل بيانيًا واستخدم الرسوم البيانية

عين نقاطًا على الرسم البياني تمثل معدل الإشعاع المصحح لكل من بيتا وجاما مقابل:

1 / d²

الاستنتاج والتطبيق

1. وضح

فيم يتشابه المنحنيان؟ وما العلاقة بين البعد ومعدلات العد؟

2. وضح

كيف يتغير معدل العد الأولي لشخص عندما ينتقل من الساحل في مستوى سطح البحر مقارنة بمستوى قمة جبل؟

3. صف

ما يحدث لمعدل عد بيتا عندما يتحرك أنبوب جايجر–ميلر إلى الخلف ثلاثة أمثال المسافة الأولية.

على سبيل المثال:

18 cm مقارنة بـ 6 cm.

التوسع في البحث

ما الظواهر الفيزيائية الأخرى التي تتبع أنماطًا مماثلة؟

الفيزياء في الحياة

اشرح كيف يشكل قربك من المواد المشعة خطرًا محتملًا لك أو للآخرين؟

ملحق موجود في الملف: تقنية المستقبل

الصفحة الثالثة في الملف ليست من جزئية المختبر المباشرة، لكنها موجودة بعد المختبر داخل الملف، لذلك أدرجتها هنا بالترتيب.

تقنية المستقبل

الاندماج النووي الحراري

Thermonuclear Fusion

لعدة عقود مضت بحث الفيزيائيون في إيجاد ودعم تفاعل الاندماج الذي يولد طاقة أكبر من تلك الطاقة التي يستهلكها. يولد المفاعل الحراري النووي حرارة هائلة جدًا من كميات صغيرة من الديوتيريوم:

²₁H

والتريتيوم:

³₁H

والذي يمكن استخلاصه من مياه البحر.

لبدء تفاعل الاندماج يجب أن يسخن خليط من الديوتيريوم والتريتيوم ويضغط تحت ظروف معيارية مشابهة لتلك الموجودة في الشمس. وسوف تحطم الحرارة المتوافرة محتويات العبوات المستخدمة في خطط الانشطار النووي.

ويعد احتجاز البلازما من مشكلات التصميم الرئيسة للمفاعلات الاندماجية.

العزل المغناطيسي

في مفاعلات العزل المغناطيسي، يعبر تيار قوي خلال وعاء يحوي غاز الديوتيريوم والتريتيوم، فتضغط البلازما داخل الجزء الدائري.

وتحدد المجالات المغناطيسية الإضافية شكل سيل البلازما لتعزله بعيدًا عن جوانب الوعاء، كما في الشكل.

يحافظ أحد التركيبات الإلكترونية الفضل على بقاء البلازما على شكل حلقي؛ مما يعطي فائدة عظيمة بعدم وجود نهايات تتطلب أن تختم.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تقنية_المستقبل_العزل_المغناطيسي_البلازما.png

تعليق الشكل:

العزل المغناطيسي: تنضغط البلازما وتعزل بواسطة المجال المغناطيسي.

العزل بالقصور الذاتي

إذا نظرت إلى قوس كهربائي، تفريغ كهربائي مستمر في صورة شرر متكرر، يتحرك سريعًا بحركة شبيهة بحركة وتر، فستلاحظ أن هناك صعوبة كبيرة في أن تحافظ على البلازما في شكل ثابت.

في مفاعل العزل بالقصور الذاتي، فإن كرة صغيرة الحجم من الديوتيريوم والتريتيوم المتجمد تضاء من كل الجوانب بواسطة حزم ليزر قوية جدًا.

تسخن حزم الليزر هذه الطبقة الخارجية للكرية فتتفجر سريعًا. وبصورة متزامنة، يضغط المتبقي من الكرية ويسخن إلى درجة كبيرة تبدأ عندها الاندماج النووي.

تعمل الطاقة الناتجة عن اندماج الكرية على زيادة الطاقة التي تستخدم لتسخين الكرية، فيندمج سيل من الكريات الواحدة تلو الأخرى للحصول على تحفيز مستمر، ويتم تجميع الحرارة الناتجة لإنتاج بخار لتشغيل التوربينات.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
تقنية_المستقبل_العزل_بالقصور_الذاتي_اندماج_الكريات.png

تعليق الشكل:

في العزل بالقصور الذاتي، يسخن الضوء أو الأشعة السينية الناتجة عن الليزر سطح الكريات بسرعة، مكونة غلافًا يحيط بالبلازما، أما الوقود المتبقي فيضغط فينفخ المواد السطحية الساخنة.

المستقبل

في الوقت الذي لا يزال الاندماج الحراري النووي مستمرًا في كلا النوعين من المفاعلات النووية، يواجه الباحثون صعوبة في تحقيق التفاعل المتعادل؛ أي أن الطاقة الناتجة عن التفاعل تزيد على الطاقة اللازمة للمحافظة على استمرار التفاعل.

والتقدم الذي يتم إنجازه في تصميم المفاعل الحراري النووي العملي يعد مكلفًا وبطيئًا، إلا أن الأمل في تحقيق ذلك كبير.

ولا تعد مفاعلات الاندماج تمامًا من المخلفات المشعة الخطرة؛ لأن النيوترونات تنتج في مفاعلات الاندماج، لكن لأن الوقود غير مشع بنفسه فإنه يمكن تجاهل المخلفات النووية.

التوسع

1. التحليل

لماذا يبدو المفاعل النووي الحراري مصدر طاقة مفضل؟

2. المقارنة

درست ثلاثة أنواع من محطات توليد الطاقة الحرارية الكهربائية. ما الميزات العامة التي تمتاز بها كل من هذه المحطات؟