Τι είναι ο μετρητής Geiger και πώς λειτουργεί;

Ο μετρητής Geiger είναι μια συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει ραδιενεργή ακτινοβολία. Λειτουργεί περνώντας ραδιενεργά στοιχεία μέσα από ένα αδρανές αέριο μέσα στη μηχανή, το οποίο ιονίζει το αέριο. Τα προκύπτοντα ιόντα μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν σε σχέση με την ίδια τη ραδιενέργεια. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας της συσκευής.

Αναπτύχθηκε από τον Γερμανό φυσικό Hans Geiger, ο μετρητής Geiger είναι μια εξαιρετικά ευεργετική συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει θανατηφόρα ραδιενεργή ακτινοβολία. Ο Hans Geiger ανέπτυξε την ιδέα γύρω στο 1912 ενώ εργαζόταν με τον αξιόλογο Έρνεστ Ράδερφορντ, τον ίδιο φυσικό που «χώρισε» με επιτυχία το άτομο και ανακάλυψε τον ατομικό πυρήνα.

Δεκαέξι χρόνια αργότερα, αποφάσισε να ανανεώσει την εφεύρεσή του με τη βοήθεια ενός συμφοιτητή του, του Walter Mueller. Γι' αυτό η συσκευή είναι συχνά γνωστή ως μετρητής ή σωλήνας Geiger-Mueller.

(Φωτογραφία:Boffy b / Wikimedia Commons)

Για να καταλάβω πώς λειτουργεί, πρέπει πρώτα να καταλάβω τι είναι η ραδιενέργεια και γιατί δεν μπορεί να μετρηθεί "συμβατικά".

Τι είναι η Ραδιενέργεια;

Η ραδιενέργεια εκδηλώνεται από άτομα που παρουσιάζουν κακή συγκράτηση στα συστατικά που σχηματίζουν τους πυρήνες τους - πρωτόνια και νετρόνια. Χάρη στην αστάθειά τους, γίνονται εξαιρετικά αδέξια και περιστασιακά απομακρύνουν μερικά σωματίδια εδώ κι εκεί. Η απώλεια σωματιδίων μετατρέπει τους πυρήνες σε διαφορετικά χημικά στοιχεία συνολικά!

Το πώς μια ομάδα πρωτονίων κολλάει μεταξύ τους σε έναν τόσο στενό χώρο, παρά το γεγονός ότι έχει μια τέτοια απωθητική δύναμη ανάμεσά τους, είναι ένα συγκλονιστικό επίτευγμα. Εδώ μπαίνει στο παιχνίδι η ισχυρή δύναμη. Η ισχυρή δύναμη είναι η ισχυρότερη θεμελιώδης δύναμη στο σύμπαν, αλλά λειτουργεί μόνο στην πιο ελάχιστη κλίμακα. Η ισχυρή δύναμη θριαμβεύει επί της ηλεκτρομαγνητικής απωθητικής δύναμης και κολλάει τα πρωτόνια και τα νετρόνια με την ίδια σκέψη. Η ενέργεια που απαιτείται για τη συγκράτηση τους είναι γνωστή ως δεσμευτική ενέργεια.

Ωστόσο, τα ισότοπα - στοιχεία που είναι χημικά δυσδιάκριτα, αλλά διαφέρουν στις ατομικές τους μάζες - παρουσιάζουν κάποια περίεργη συμπεριφορά. Ένα ζεύγος ισοτόπων περιέχει τον ίδιο αριθμό πρωτονίων, αλλά διαφορετικό αριθμό νετρονίων, ή το αντίστροφο. Συνέπεια αυτού είναι η αύξηση του μεγέθους ενός πυρήνα.

Επιπλέον, ένα αυξημένο μέγεθος καθιστά την ισχυρή δύναμη μικρής εμβέλειας αναποτελεσματική. Σε μια κλίμακα λίγο έξω από την εμβέλειά της, η απωστική δύναμη εισχωρεί. Σε εκείνο το σημείο, οι πυρήνες δεν έχουν αρκετή ενέργεια για να την ξεπεράσουν και να κρατήσουν τα συστατικά τους ενωμένα.

Η ασυνέπεια στη μάζα υποκινεί την αστάθεια στον πυρήνα ενός ισοτόπου. Τα άτομα επιθυμούν φυσικά τη σταθερότητα, η οποία σε αυτή την περίπτωση έχει το κόστος της απελευθέρωσης αυτής της περίσσειας μάζας. Σκεφτείτε τον ραδιενεργό πυρήνα σας σαν ένα στριμωγμένο κάθισμα σε ένα γεμάτο λεωφορείο. Οι άνθρωποι που κάθονται πάνω του είναι πρωτόνια και νετρόνια. Όταν ένα επιπλέον νετρόνιο προσπαθεί να χωθεί σε ένα ήδη γεμάτο κάθισμα, εκτοπίζει κατά λάθος ένα σωματίδιο στην αντίθετη πλευρά, παρόμοιο με τις χαλύβδινες σφαίρες της κούνιας του Νεύτωνα.

Εκτός από τη μάζα, οι πυρήνες εκπέμπουν επίσης ραδιενεργή ενέργεια. Σε μια διελκυστίνδα μεταξύ των ισχυρότερων δυνάμεων στο σύμπαν, η ισχυρή δύναμη υποχωρεί και η απωθητική δύναμη εκτοξεύει ένα κομμάτι σωματιδίων στο περιβάλλον της με πολύ υψηλές ταχύτητες. Αυτή η διαδικασία εκπομπής είναι γνωστή ως ραδιενέργεια και τα άτομα λέγεται ότι υφίστανται «αποσύνθεση».

Υπάρχουν τρεις τύποι ακτινοβολίας, ανάλογα με τη συμπεριφορά τους σε μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο. Τα σωματίδια άλφα είναι τα βαρύτερα, περιέχουν δύο πρωτόνια και δύο νετρόνια, και έτσι κάμπτονται προς μια αρνητικά φορτισμένη πλάκα. Τα σωματίδια βήτα είναι 700 φορές ελαφρύτερα και αποτελούνται κυρίως από ηλεκτρόνια, αναγκάζοντάς τα να κάμπτονται προς τα θετικά ηλεκτρόδια.

Τέλος, υπάρχουν οι ακτίνες γάμμα, οι οποίες, λόγω απουσίας οποιουδήποτε είδους φορτίου, ταξιδεύουν χωρίς παρέκκλιση σε ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο. Ακριβώς όπως ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να κινηθεί σε καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας και να εκπέμπει διακριτά πακέτα φωτονίων, οι πυρήνες χάνουν την ενέργειά τους εκπέμποντας ισχυρές ακτίνες γάμμα.

Ο μετρητής Geiger

Η δυσκολία αντιμετώπισης ραδιενεργών υλικών συμπληρώνεται από το γεγονός ότι οι εκπομπές τους είναι αόρατες και είναι εμφανώς δύσκολο να ανιχνευθούν. Αυτός είναι ο λόγος που δεν μπορούμε να τα εντοπίσουμε συμβατικά. Μια λύση είναι να μετατρέψουμε με κάποιο τρόπο αυτές τις αόρατες άμετρες ποσότητες σε ανιχνεύσιμες και μετρήσιμες. Αυτό ακριβώς κάνει ένας μετρητής Geiger.

Ένας μετρητής Geiger διέρχεται ραδιενεργά στοιχεία μέσω ενός αδρανούς αερίου μέσα στο μηχάνημα. Λόγω της πολικής φύσης τους, τα ραδιενεργά σωματίδια ιονίζουν το αέριο στο οποίο διασπείρονται. Τα ιόντα που προκύπτουν μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν σε σχέση με την ίδια τη ραδιενέργεια. Αυτή είναι η αρχή λειτουργίας της συσκευής.

Ένας μετρητής Geiger είναι ένας μεταλλικός κύλινδρος που σφραγίζεται από ένα κεραμικό ή μαρμαρυγικό παράθυρο στο ένα άκρο. Οι λεπτές μεμβράνες επιτρέπουν στα μαιανδρικά ραδιενεργά σωματίδια στο περιβάλλον να το διαπερνούν εύκολα. Ο σωλήνας τρέχει κάτω από ένα λεπτό μεταλλικό σύρμα, που συνήθως αποτελείται από βολφράμιο. Το άκρο αυτού του καλωδίου συνδέεται με ένα μεγάλο τροφοδοτικό στο άλλο άκρο, το οποίο συσσωρεύει ένα μεγάλο θετικό φορτίο. Αυτό το άκρο λειτουργεί ως θετικό ηλεκτρόδιο - μια άνοδος. Η καμπύλη επιφάνεια του μεταλλικού σωλήνα λειτουργεί ως αρνητικό ηλεκτρόδιο — η κάθοδος.

Ο κύλινδρος είναι γεμάτος με ένα αδρανές αέριο, όπως το νέον ή το αργό. Καθώς τα ραδιενεργά σωματίδια περνούν, ιονίζουν αυτό το αέριο. Θετικά και αρνητικά ιόντα σκάνε γύρω από τον κυλινδρικό σωλήνα. Τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια έλκονται αμέσως προς την άνοδο, ενώ τα θετικά ιόντα απωθούνται από το μεγάλο θετικό φορτίο και ρέουν προς την κάθοδο.

Επιπλέον, καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνται προς τα κάτω στο αέριο, συγκρούονται σε περισσότερα άτομα, προκαλώντας μια αλυσιδωτή αντίδραση ιονισμού που παράγει περισσότερα ιόντα και ηλεκτρόνια. Αυτό ονομάζεται εκκένωση Geiger. Στη συνέχεια, πολλά ηλεκτρόνια θα φτάσουν στην άνοδο, δημιουργώντας έναν παλμό ηλεκτρισμού που μετράται σε ένα μετρητή.

Κάθε παλμός από το σωλήνα βαθμονομείται σε μια μέτρηση. Οι μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο δίνουν μια προσέγγιση της ισχύος του πεδίου ακτινοβολίας. Οι μετρήσεις μπορούν να διαβαστούν από έναν χρήστη μέσω μιας οπτικής ανάγνωσης. Οι οπτικές ενδείξεις μπορεί να είναι είτε συμβατικοί αναλογικοί μετρητές είτε ηλεκτρικές οθόνες LCD. Διαφορετικές μονάδες, όπως milli-Roentgens ανά ώρα (mR/hr) ή micro-Sieverts ανά ώρα (uS/hr), χρησιμοποιούνται επί του παρόντος για την εμφάνιση της σοβαρότητας της ακτινοβολίας σε μια δεδομένη περιοχή.

Το καλώδιο μπορεί επίσης να συνδεθεί με ενισχυτές και ένα μεγάφωνο για να δημιουργήσει τα περίφημα «κλικ» που σχετίζονται με τους μετρητές Geiger. Οι φθηνότεροι μετρητές μπορούν να ανιχνεύσουν και τις ακτίνες γ και τις ακτίνες βήτα, ενώ οι ακριβοί ανιχνεύουν και τις ακτίνες άλφα. Ωστόσο, ένας περιορισμός στη χρήση αυτής της συσκευής είναι η αδυναμία της να διακρίνει αυτές τις ακτινοβολίες επειδή ο παλμός εξόδου είναι του ίδιου μεγέθους, ανεξάρτητα από την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.

Τέλος, η λειτουργία της συσκευής μπορεί να σταματήσει με την απελευθέρωση ενός αερίου που προσελκύει τα ελεύθερα ιόντα. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται σβέση και το αέριο είναι γνωστό ως αέριο σβέσης. Τα αλογόνα είναι εξαιρετικά σβηστές λόγω της ισχυρής ηλεκτραρνητικής φύσης τους, αν και μπορεί επίσης να στρατολογηθεί μια τεράστια αντίσταση για να αντιταχθεί η ροή του ρεύματος.

Ποια είναι η σημασία του μετρητή Geiger;

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν μετρητές Geiger για να μετρήσουν τις εκπομπές ραδιενέργειας επειδή είναι εξαιρετικά επικίνδυνες για τους ανθρώπους και τα ζώα. Το να βρίσκεται κανείς σε κοντινή απόσταση από πυρηνικό εργοστάσιο ή ένα ατύχημα με ραδιενεργά στοιχεία κάνει κάποιον ιδιαίτερα επιρρεπή στις επικίνδυνες επιπτώσεις του.

Η ακτινοβολία σκοτώνει γρήγορα τα οργανικά κύτταρα. Ακόμη και μια μικρή δόση μπορεί να προκαλέσει δηλητηρίαση από ακτινοβολία, η οποία προκαλεί ναυτία και καθιστά εξαιρετικά σημαντικά μέρη του σώματος, όπως ο μυελός των οστών και οι λεμφαδένες, ευαίσθητα σε μη αναστρέψιμες βλάβες, προκαλώντας καρκίνο ή άλλες αυτοάνοσες ασθένειες.

Η απώλεια λευκών αιμοσφαιρίων μπορεί να είναι θεραπεύσιμη, αλλά η επιβίωση είναι μόνο πιθανή, όχι εγγυημένη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ερευνητικά εργαστήρια και οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής που περιλαμβάνουν ραδιενεργή δραστηριότητα χρησιμοποιούν ζωτικής σημασίας συσκευές όπως αυτές για να παρακολουθούν την επιβλαβή ραδιενέργεια και να διασφαλίζουν ότι όλοι οι εργαζόμενοι εργάζονται σε ένα ασφαλές περιβάλλον χωρίς ακτινοβολία.