Per lo studio della Fisica nucleare, della radioattività e per la misura del gas Radon
Il Kit Didattico sulle Radiazioni Ionizzanti, denominato Cerberus, è stato progettato e realizzato in modo tale da poter essere manipolato dagli studenti in assoluta tranquillità, senza alcun pericolo.
Il Kit didattico comprende:
- Un’unità base (Multicounter), alla quale si possono collegare: 1) Un contatore geiger ad ampia superficie per la rivelazione dei raggi X e gamma; 2) Un contatore geiger tipo pancake con finestra in mica per la rivelazione delle particelle alfa e beta, oltre che x e gamma; 3) Uno spark counter, per misurare le tracce lasciate dalle particelle alfa emesse dal gas Radon sul materiale plastico, detto LR115, la cui densità permette di misurare la concentrazione di radon negli ambienti in cui è stato posizionato.
- sensori di campi magnetico statico per la misura del campo magnetico generato dalle correnti;
- sensori per la misura dei campi elettromagnetici, con particolare attenzione ai campi presenti attorno ai cellulari;
- sensori di temperature, umidità, pressione, accelerometri, celle di carico ecc.
L’unità base del Kit può anche essere collegata, tramite la porta USB, ad un computer per scaricare i dati acquisiti ottenuti con l’impiego dei diversi sensori.
Il Kit, oltre alla misura delle radiazioni ionizzanti, permette di realizzare una serie di esperienze capaci di:
- misurare la concentrazione di gas radon nelle abitazioni;
- far comprendere la differenza tra raggi alfa, beta e gamma;
- visualizzare il danno prodotto dalle particelle alfa del gas radon sui materiali plastici;
- evidenziare immediatamente la presenza di radon in un ambiente, tramite la misura dei suoi figli radioattivi (Po-218 e Po-214);
- far comprendere il fenomeno della radioattività e misurare la costante di dimezzamento dei figli radioattivi del Radon;
- misurare la rigidità dielettrica dell’aria;
- dimostrare che il condensatore si comporta come un accumulatore di energia.
Negli ultimi anni è stato dato a livello ministeriale un enorme impulso allo studio della fisica e in particolare allo studio della Fisica Moderna. Tutte le scoperte tra la fine del XVIII secolo e gli inizi XIX secolo non sarebbero avvenute se non si fossero comprese alcune proprietà dell’atomo e della sua struttura. La scoperta della radioattività ha dato un impulso decisivo alla comprensione della struttura dell’atomo e le esperienze di Rutherford relative alla collisione delle particelle alfa emesse da particolari elementi radioattivi con l’atomo ha definitivamente abbandonato il modello “a panettone” in favore di quello cosiddetto “planetario” che dette a Bohr lo spunto per introdurre i livelli energetici su cui disporre gli elettroni.
Pertanto, una adeguata didattica della fisica moderna deve necessariamente passare attraverso l’adozione di percorsi sperimentali capaci di far comprendere la reale struttura dell’atomo e i fenomeni radiativi che ne regolano il comportamento.
Poiché le radiazioni non sono visibili e non direttamente percettibili, l’approccio adeguato al suo studio non può essere solo teorico, ma anche e soprattutto sperimentale, con l’introduzione di esperienze pratiche, capaci di evidenziare la presenza di radiazioni ionizzanti tramite gli effetti dovuti alla loro interazione con la materia.
Le radiazioni ionizzanti, a causa della loro pericolosità, possono essere manipolate solo da personale altamente qualificato (Esperti Qualificati, Fisici Medici, Radioterapisti, Medici Nucleari, addetti alla ricerca), e il loro impiego nella didattica è alquanto limitato o del tutto assente. Sono pochi gli studenti che nel corso dei loro studi hanno avuto esperienze didattiche in questo campo. Eppure, con la radioattività abbiamo a che fare tutti i giorni per cui è assolutamente necessaria una sua adeguata conoscenza per capire la fisica del nucleo e per non creare allarmismi inutili.
Considerato il grande interesse emerso in quest’ultimi anni verso la problematica relativa all’inquinamento domestico da gas radon, che è la seconda causa dei tumori ai polmoni dopo il fumo di sigarette, il Kit permette di evidenziare visivamente il danno prodotto dalle particelle alfa emesse dal radon e di valutarne la concentrazione. Il Kit sperimentale può essere impiegato per la misura della concentrazione di gas radon nelle aule e nelle abitazioni degli alunni: questo può portare a rivelare delle concentrazioni di radon pericolose per la salute, dando così un utile contributo a prevenire situazioni di pericolosità non altrimenti individuabili. Il Kit, oltre a fornire un supporto “sanitario”, permette di fare esperienze didattiche con le radiazioni utilizzando anche strumenti matematici legati alla statistica e alla probabilità.
L’elevato valore didattico del Kit deriva dal fatto che gli alunni possono osservare a occhi nudi le radiazioni alfa attraverso i danni, piccoli fori, da esse prodotti nell’attraversare alcuni polimeri di cellulosa (detti LR115). Questi fori sono messi in evidenza tramite l’impiego di una sonda del Kit, lo Spark Counter, che alle scintille visibili in corrispondenza di fori, associa anche un sonoro crepitio, molto simile a quello delle scintille determinate quando tra due corpi che si trovano vicini in aria si stabilisce una certa differenza di potenziale (Macchina di Wimshurst). Lo spark counter, come strumento di misura, conserva tutta la sua validità in campo scientifico e viene tuttora utilizzato nel campo anche della rivelazione dei neutroni.
Lo Spark Counter
Lo spark conter è fondamentalmente un condensatore a facce piane e parallele all’interno delle quali viene posizionata una pellicola in plastica, detta LR115, precedentemente irraggiata dal radon e sviluppata chimica-mente per visualizzare le tracce di danno prodotte dalle particelle alfa.
Il funzionamento dello spark counter è analogo a quello della maggior parte della strumentazione nucleare, a partire dal contatore geiger. In esso l’agente ionizzante è sempre una radiazione che provocando la ionizzazione del gas contenuto al suo interno determina un corto tra due piastre (un condensatore) e successivamente un impulso su una resistenza che può essere misurato.
Il Kit è stato pensato e realizzato per un impiego nella didattica, ma è anche molto performante dal punto di vista tecnico, in quanto tutte le parti della scheda elettronica sono state realizzate con i più moderni microcontrollori, scegliendo quelli di altissima precisione e affidabilità. Basti pensare che il sistema dell’alta tensione ha una precisione dell’1% e una stabilità eccezionale e opera con correnti dell’ordine dei nano ampere, per cui, anche a tensioni elevate, tutte le parti possono essere toccate con le mani, senza avvertire alcuna scossa.
Anche il contatore geiger e il pancake, come tutte le sonde collegabili al dispositivo, sono stati progettati e realizzati tenendo conto delle esigenze delle figure professionali che operano in questo campo, come Esperti Qualificati e centri di ricerca. La sensibilità e riproducibilità di questi dispositivi, grazie all’impiego dei migliori sensori disponibili sul mercato (LND, INC) e alle accortezze elettroniche minuziose (amplificatori di carica a bassissimo rumore), sono al top: frutto di anni di studio ed esperienza, non hanno competitor sul mercato.
Pertanto, impiegando il Kit, un operatore può effettuare misure qualitative di una certa precisione.
