Laboratorio virtual de absorción de radiación: α, β y γ

Este laboratorio virtual de absorción de radiación corresponde al trabajo de GCSE sobre la penetración de la radiación alfa, beta y gamma, y a la práctica obligatoria (required practical) de AQA A-level Physics sobre la ley del inverso del cuadrado para los rayos gamma. Los estudiantes miden el recuento de fondo con un tubo Geiger–Müller, cuentan una fuente beta a través de papel y de aluminio cada vez más grueso, comparan alfa y gamma, y corrigen cada tasa de recuento restando el fondo. Los recuentos son aleatorios, como con fuentes reales, así que los estudiantes también se encuentran con la incertidumbre √N. Ningún centro necesita una fuente sellada ni una evaluación de riesgos radiológicos para hacerlo.

Relación con el currículo

• AQA GCSE Physics 4.4.2.1 (propiedades de la radiación alfa, beta y gamma): penetración a través de materiales, alcance en el aire y poder ionizante.
• AQA A-level Physics 3.8.1.2, práctica obligatoria 12: la ley del inverso del cuadrado para la radiación gamma, con corrección del fondo y de la posición desconocida de la fuente.
• IB Physics E.3 (desintegración radiactiva) y Cambridge IGCSE Physics 5.2 (detección y propiedades de la radiación).

Simulic no está afiliado a AQA, al IB, a Cambridge ni a ningún organismo examinador, ni cuenta con su respaldo.

Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"¿Cuál es el absorbente más fino que detiene casi toda la radiación beta de la fuente?"

Los estudiantes suelen elegir el plomo "porque la radiación necesita plomo", o el papel "porque es como la alfa". Pide una razón con cada respuesta.

Método en la simulación

Quédate en la pestaña Absorción. Pon Velocidad en Instantáneo y Tiempo de recuento en 100 s para que cada recuento sea rápido y preciso.

1. Pulsa Contar fondo. Anota la tasa de fondo B.
2. Elige la fuente β (tipo Sr-90), el absorbente Ninguno y una Distancia d de 3 cm. Pulsa Iniciar recuento. La simulación muestra N, N/t y la tasa corregida C = N/t − B.
3. Elige Papel (0,1 mm) y después Aluminio de 0,5; 1; 2; 3 y 4 mm. Haz un recuento con cada uno y anota C.
4. Cambia a γ (tipo Co-60): cuenta sin absorbente y después con Plomo de 10 mm y de 20 mm.
5. Cambia a α (tipo Am-241) sin absorbente a d = 2, 3 y 4 cm, y después con papel a 3 cm.
6. Representa C frente al espesor de aluminio para la radiación beta.

Fuente	Absorbente	Espesor (mm)	d (cm)	N en 100 s	N/t (s⁻¹)	C = N/t − B (s⁻¹)
Fondo	—	—	—			—
β	ninguno / papel / aluminio	0 / 0,1 / 0,5 / 1 / 2 / 3 / 4	3
γ	ninguno / plomo	0 / 10 / 20	3
α	ninguno / papel	0 / 0,1	2 / 3 / 4

Resultados esperados

Recuentos típicos de 100 s en la simulación (cada repetición varía un poco):

• Fondo: unas 0,40 cuentas/s, 24 por minuto. Un solo recuento de 100 s da entre 0,31 y 0,51.
• Beta a 3 cm: sin absorbente 159 s⁻¹; papel 151; aluminio de 0,5 mm 65, de 1 mm 26,5, de 2 mm 4,1, de 3 mm 0,4, de 4 mm 0. A través de 1 mm pasa alrededor del 16,6 % (del 15,9 al 17,3 % en 30 pruebas).
• Gamma a 3 cm: sin absorbente 164 s⁻¹; 8 mm de aluminio aún dejan pasar 145; 10 mm de plomo unos 84 (51 %), 20 mm unos 43.
• Alfa: 48 s⁻¹ a 2 cm, 22 a 3 cm y casi nada a 4 cm; una hoja de papel la detiene por completo.

Con 4 mm de aluminio o más, la lectura bruta de la fuente beta es igual al fondo, así que C es cero. Sin restar el fondo, los estudiantes concluirían por error que algo de radiación beta atraviesa el aluminio.

Inverso del cuadrado (A-level). En la pestaña Inverso del cuadrado, cuenta la fuente gamma a 5, 10, 20 y 30 cm. C baja de unos 72 a 21; 5,8 y 2,6 s⁻¹. Al duplicar d de 10 a 20 cm, C se divide por unos 3,7, no por 4, porque la fuente está detrás del cero de la regla. La gráfica de 1/√C frente a d es una recta; el mejor ajuste de la simulación da e ≈ 0,9 a 1,2 cm (valor real 0,9 cm).

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Cuál es el absorbente más fino que detiene casi toda la radiación beta?
2. Cuando comparas absorbentes para la fuente beta, ¿qué debe mantenerse igual?
3. Fuente beta, d = 3 cm, sin absorbente, 100 s: ¿cuál es la tasa de recuento corregida?
4. Añade 1 mm de aluminio. ¿Qué porcentaje de la tasa de recuento beta lo atraviesa?
5. Con 5 mm de aluminio el contador sigue haciendo clic. Explica por qué, y por qué se resta el fondo.

Respuestas para el docente: (1) Unos pocos milímetros de aluminio. (2) La fuente y su distancia al tubo. (3) Unos 159 s⁻¹ (se acepta de 155 a 164). (4) Alrededor del 16,6 % (se acepta del 15 al 18,5 %). (5) Todas las partículas beta quedan detenidas; los clics son radiación de fondo (unos 0,4 por segundo, procedente de rocas, edificios y rayos cósmicos). Está presente en todas las lecturas, así que hay que medirla y restarla.

Ideas erróneas frecuentes

• "El plomo detiene los rayos gamma." El plomo solo los reduce: 10 mm reducen la tasa a la mitad y 20 mm dejan una cuarta parte.
• "Una lectura cero significa cero cuentas." El tubo siempre cuenta el fondo, así que la lectura bruta nunca baja de unos 0,4 s⁻¹.
• "Un recuento repetido debería dar el mismo número." La desintegración es aleatoria. Un recuento más largo da un N mayor y una incertidumbre porcentual menor, 1/√N.

Ampliación

• Pestaña Campos: compara cómo se desvían la radiación alfa y la beta en campos magnéticos y eléctricos, y por qué la gamma sigue recta.
• Espesor de semirreducción: cuenta la radiación gamma a través de 0 a 30 mm de plomo y halla el espesor que reduce C a la mitad (unos 10 mm).

Preguntas frecuentes

¿Es seguro sustituir la práctica real?

La simulación es segura, pero no sustituye el trabajo práctico cuando tu organismo examinador lo exige. Úsala para planificar el método, practicar la corrección del fondo y analizar datos. Consulta laboratorios virtuales frente a laboratorios físicos.

¿Por qué mis estudiantes obtienen números distintos?

Cada recuento es aleatorio (Poisson), como con una fuente real. Es una ventaja: compara los resultados de toda la clase y comenta la incertidumbre.

¿Puedo fijar los ajustes para mi clase?

Sí. En tu enlace de clase, fija los valores iniciales de la fuente, el absorbente, el espesor, la distancia y el tiempo de recuento. La nota bajo la simulación indica los valores del modelo, como la tasa de fondo.

Simulaciones y guías relacionadas

Desintegración radiactiva – ley de desintegración y período de semidesintegración Dispersión de Rutherford – partículas alfa, el núcleo y el modelo de Thomson

Para más actividades de física, consulta ideas de clases interactivas de física. Para hacer la predicción como un ciclo completo, consulta predecir, observar, explicar con simulaciones.