Universet, stråling og optikk på Naturfag 2

Oppsummering av foredrag og aktiviteter på kurssamlingen 8. og 9. januar 2020

Foredragene:

Kjartan Jh. Olafsson, om Radioaktiv stråling

Ioniserende stråling – hva er det?
-Partikler (protoner, ioner, nøytroner) eller elektromagnetisk stråling (fotoner), som har nok energi til å eksitere et nøytralt atom. 

Måles i elektronvolt

En radioaktiv kjerne sender ut en heliumkjerne, det er alfastråling

Eksempel: Uran sender ut 2 protoner og 2 neutroner og blir Thorium (fra U92 til Th90)

Betastråling; et av nøtytronene i kjernen desintegrerer til et proton og et elektron, Kjerne-elektronet sendes ut av kjernen.

Eksempel: Carbon 14 blir til Nitrogen 14, eller vi kan si at C6 går til N7- Karbon har atomnummer 6, og 6 protoner i kjernen, Nitrogen har tilsvanrende 7 og er atomnummer 7.

Elektroninnfanging: et elektron(oftest fra K-skallet) fanges inn av proton i kjernen, som da omdannes til nøytron og grunnstoffet går nedover i protontall og grunnstoffrekken. 

Gammastråling har en definert energi

Eksempel; 

Cesium går til Barium, en kjerne gir 0,662 MeV

Cobolt til Nikkel gir mer (ca 2 MeV)

Energien til et foton er mye større enn energien til en partikkel. Et foton må ha energi mer enn 6eV for å eksitere en kjerne, det vil si at vi må ha ultrviolett lys for å trigge reaksjonen

Fotonenes energi øker med kortere bølgelengde. 

Stråling lavere enn ultraviolett er ikke-ioniserende. Alt som har temperatur over 0 Kelvin gir elektromagnetsik stråling. 

Alfa- og betastråling stoppes lett, med papir eller for eksempel en trevegg. Gammastråling stoppes best med en absorbator. 

Fysiske og biologiske virkninger av stråling; 

Strålingen kan bryte DNA-molekyl, indirekte gjennom dannelsen av frie radikaler. Kroppen reparerer slik skader raskt ved lave strålingsdoser. 

Måleenheter:

1 Bq er 1 desintegrasjon per sekund

1 Gy (1 Gray), enhet for absorbert stråledose,  er lik 1J/kg

Biologisk virkning er avhengig av stråletypen, den biologisk virksomme dosen måles i Sievert.

Typisk mottar vi ca 2500 mikroSievert stråling fra naturlige kilder gjennom et år, det meste (halvparten) fra radon, det andre fra kosmisk stråling (260) mat og drikke, medisinske undersøkelser og fra jorden. Radioaktivt nedfall og utslipp er minimalt under normale forhold.

Store doser (>4-6 Sv på noen timer) er dødelig i løpet av noen timer eller dager, 10000 Sv gir umiddelbar død. 

Kristian Smeland Ytre-Hauge, om medisinsk fysikk

Stråleterapi, strålebehandling, kreftbehandling:

Diagnostisering, gjennom avbildning av objekter inne i kroppen

Røntgenstråling ble oppdaget i 1895, radioaktivitet i 1896, radium 1898

Først kjente man ikke til farene ved strålingen, og fant på mye slags bruk, som røntgen for å se om skoene passet, radioaktiv maling på klokker og annet. 

Radiumbehandling mot kreft kom i gang i Norge fra 1912. Radiumhospitalet åpnet i 1932

Behandling med radium hadde store bivirkninger.

Stråling

Elektromagnetiske spekter; røntgenstråling fra ultraviolett (1Ångstrøm) og nedover i bølgelengde, altså ioniserende stråling. 

Energien til et foton kan vi regne som produkt av Plancks konstant og frekvensen (frekvensen er bølger per sekund,, Herz,, Hz)

Alfa- beta- gammastråling

Atomene kan komme i ulik utgave etter antall nøytroner i kjernen (eksempel hydrogen: hydrogen har 1 nøytron, deuterium 2, tritium 3).

Strålebehandling: 

Tidligere brukte man naturlig stråling. Radium ble etterhvert byttet ut med kobolt 60.

‘Gammakniv’ bruker også Cobolt 60. ‘Kniven’ stråler fra mange kanter samtidig, pasienten ligger fast og får stråling nøyaktig på rett plass (svulst).

For å komme vekk fra farlige stoffer, lager man nå stråling, ved å akselere ladde partikler. Styres med magnetiske krefter som bøyer av strålen.

Maskinene bruker flere kV energi, noe av enegrien går gjennom  kroppen, noe stopper opp – dette gir god avbildning. Altså bra diagnostisering

Lage stråler til behandling: Det er da om å gjøre å produsere høye spenninger. 

Man prøvde med vanderGraaf, den var i bruk frem til 70-tallet. Gir flere millioner volt, og er risikabelt. 

Rolf Widerøe fant ut hvordan man kan akselere partikler med vekslestrøm, en linææer akselerator.

Diagnosestråling: 

Sende stråler inn i kroppen og se hva som kommer ut, og hva som blir stoppet. 

Røntgen/CT/fluoroskopi

Intern strålekilde, injisere radioaktivt stoff (PET (positron-emisjon) EPCT (foto-emisjon)

Avbildning med ikke-ioniserende stråling, MR og ultralyd. Metodene gir ulike avbildninger, som er nyttige til hver sine typer undersøkelser.

Stråleterapi: 

I Norge er det 30000 nye krefttilfeller hvert år, halvparten får strålebehandling. 

Fotonterapi; noen ståler går gjennom kroppen, noen stopper. Behandlerne kan lage stråledosekurver og studere virkningen inne i kroppen, og lage en indivduell stråleplan.

Strålingen skader cellenes DNA så mye at de dør, eller dør ved deling. 

Protonterapi er det nyeste nå. Det blir bygget et nytt senter i Bergen. Allerede i 1946 ble det oppdaget at protonstråling gir mest effekt inne i kroppen, kalt Bragg-toppen. Det går an å bestemme hvor dypt i kroppen toppen skal være. Man kan behandle med mindre doser enn med vanlig stråling, derfor vil man bruke protonterapi. Det blir et raskt fall i strålingen etter Braggtoppen, så friskt vev blir ikke skadet. 

Kjartan Olafsson, målinger i rommet

Vi ser utover i rommet til 1026-meter, det er da yttergrensen for det ytre rom. Teleskop-teknologien utvikler seg, både med at vi lager større teleskop på bakken, og med at vi sender teleskop ut i rommet utenfor atmosfæren. 

Hva vet vi om rommet og stjernene: 

Sirius som eksempel. Den lyseste stjernen på himmelen; 8,6 lysår vekke, omløp 50,1 år, dobbeltstjerne A og B, A er 2,06 solmasser med overflatetemperatur pån9940 K, effekt 25 ganger solens utstråling.

Hvordan kan vi vite dette? Hvilke målinger kan vi gjøre som gir oss all denne informasjonen? Vi går da ut fra at lovene for feks temperatur og avstand er universelle. Slik at sammenhengen mellom overflatetemperatur og effekt er den samme på Sirius A som på vår sol. Vi måler lysspekteret stjernen sender ut, og ser hvor toppen i spekteret er, og kan da regne ut temperaturen på overflaten. På Sirius A er den altså regnet ut til 9940K, mens solen har vel 5000 K, det gir den store forskjellen i effekt

Stefan-Bollmas lov sier at utstrålt effekt fra et legeme er lik K (Bollmans konstant) ganget med overflatetemperaturen i fjerde. Økningen i temperaturen gir altså en stor økning i effekt. 

Hvordan måler vi diameter, og kan regne ut overflaten? Hvis vi kjenner avstanden kan vi regne ut radiusen. Hvordan så finne avstanden?

Sende ut laserlys og få tilbake ville ta 17,2 år. Vi bruker parallakse-metoden. Vi må da observere Sirius fra to ulike punkt på jorden med stor avstand, og finner vinkelavstanden fra ekvator. Derfra er det et regnestykke (sinusregning) hvor stor avstanden er. Vi regner avstanden  i astronomiske enheter, vinkelen i radianer. 1 grad er 360 buesekunder. 

Avstanden til et stjerne som har parallakse et buesekund er 1 parsec= 3,26 lysår. Slik kan man finne avstanden til stjerner opptil 100 parsec, med målinger utenfor atmosfæren kan man finne avstand til objekter opptil 1000 parsec borte. 

Informasjon fra rommet må vi hente fra elektromagnetiske bølger og kosmisk stråling – som er ioniserte atomkjerner og energirike atomer. De eneste tilgjnegelige materialprøver fra rommet er fra månen. Vi har i tillegg undersøkelser fra landinger på Månen, Mars, Titan, og på kometen Churyumov-Gerasimenko. Vi har også in-situ-målinger av megnetfelt og ladete partikler fra romsonder. 

Det er 100 milliarder galakser, og 100 milliarder stjerner (+/-) i hver galakse. 

Muligheter for liv utenom vårt solsystem:

Vi finner stadig flere exoplaneter med lignende forhold som de vi har på jorden – så vår vurdering av sjansen for liv andre steder er økende. Hvilke metoder bruker vi for å finne slike planeter? Vi kan ikke se dem, men registrerer endring i gravitasjonsfeltet omkring en stjerne, og da må det være en masse, et objekt der. 

Jorden svinger i bane og rotasjon, Banen endrer seg med en fase på 400 000 år, hellingen på jordaksen 41000 år, og presesjonen  med 26000 år. 

Solinnstrålingen endrer seg, over måneder og over år. endringene er svært små, brøkdeler av promiller. Endringene skyldes endring i solflekkaktivitet, med mye solflekker blir det endring i innstrålt effekt fra solen. 

Aktiviteter

Didaktisk vurdering og utprøving av metoder for klasserommet er viktige element i naturfagkursene. I tillegg til foredragene så deltakerne derfor på større og mindre aktiviteter til bruk med elevene:

Måling av stråling, og halveringstid

Med et Geiger-Müller-rør kan vi måle antall kjernepulser fra en radioaktiv kilde. Til våre apparater hører et sett med radioaktive mineraler, som vi måler på. Om vi så pørver å stoppe strålingen, med papir, tre eller metall, kan vi ha en kvalifisert antaglese om hvilken type stråling det er.

I halveringsforsøket måler vi stråling fra Barium, over noen minutter. Ved å sette opp en kurve ut fra målingene, kan vi lese av halveringstiden – som viser seg å være 2,5 minutter for dette stoffet,

Medieartikler om stråling. 

Radioaktiv stråling er ikke en fjern trussel, strålingen er omkring oss hele tiden. På kurset så vi nærmere på artikler om

  • Radonstråling
  • Medisinsk bruk av stråling, til diagnostisering og terapi
  • Kjernekraft
  • Atomvåpen

Det har to formål å bruke medieartikler: 

  • Elevene møter fagstoffet i en virkelig og relevant kontekst
  • De får øving i kritisk lesing

Informasjonsmengden og -kvaliteten vi møter, tilsier at arbeidet med det siste punktet er avgjørende viktig for fremtiden. 

Praktiske øvinger for elevenes forståelse:

  • Optisk brytning mellom vann og luft, glass og vann, eventuelt i tyngre væsker. Den ekleste øvelsen her er ‘mynten som forsvant’, legge en mynt i bunnen av en kjele og fylle på vann. En laserstråle mot et kar med vann eller annen væske gir mange muligheter for måling av brytningsindeks. 
  • Oppvarming av salter og spektrometri. Grunnstoffene lyser med ulik bølgelende i det synlige spekteret når de blir varmet opp. Vi fester salter på en magnesiumstav, og varmer opp i en gassbrenner. Når vi ser på flammen gjennom et spektroskop og sammenligner med et spektrogram, kan vi avgjør hvilket metall som inngår  saltet. 
  • Linser og øyets virkning, vi lager camera obscura med og uten linse. Med en vanlig pappeske, et stykke matpapir og en stoppenål lager du enkelt et camera obscura. Ser du mot et stearinls, får du en avbildning opp-ned på matpapairet. Linsen fra et lysbildeapparat gjør det hele tydeligere, og du kan sammenligne med øyets funksjon
  • Lydbølger, frekvens og interferens. Her bruker vi apper som genererer lyd med den frekvensen du ønsker. Spiller vi nærstående lyder, eksempelvis 450 og 460 Hz, vil lydbølgene samvirke, og vi hører interferensen som et pulserende lydbilde. I klasserommet kan vi også spille lyder med økende frekvens og se når lytterne faller av – ikke lenger hører så høye toner. Forfatteren mister lyden ved 9000 Hz, elevene henger gjerne med til langt over 15000. 
  • Bruk av teleskop, stjernehimmel-apper og dataprogram som simulerer stjernehimmelen. Det blir langt enklere å gå ut en mørk morgen eller kveld med elevene dersom de på forhånd vet hva som er synlig på himmelen. Når de i tillegg kan følge med direkte gjennom telefonen, og få navn på objektene de ser mot på himmelen, tar det seg virkelig opp. Vi viste siimuleringsprogrammet ‘stellarium’ og appene ‘skyview’ og ‘distant suns’ på kurdagene. Månen viste seg dessverre ikkke. En vanlig kikkert, eller et teleskop, gir en sterk opplevelse når du ser på månen. Sammenholdt med et månekart kan du begynne å gjøre deg kjent med ‘hav’ og kratere på overflaten,. Og bli god i månegeografi.