Laboratório virtual de absorção de radiação: α, β e γ

Este laboratório virtual de absorção de radiação corresponde ao conteúdo de GCSE sobre a penetração das radiações alfa, beta e gama, e à prática obrigatória (required practical) de AQA A-level Physics sobre a lei do inverso do quadrado para os raios gama. Os alunos medem a contagem de fundo com um tubo Geiger–Müller, contam uma fonte beta através de papel e de alumínio cada vez mais espesso, comparam alfa e gama e corrigem cada taxa de contagem descontando o fundo. As contagens são aleatórias, como nas fontes reais, então os alunos também lidam com a incerteza √N. Nenhuma escola precisa de uma fonte selada nem de uma avaliação de risco radiológico para fazer a atividade.

Alinhamento com o currículo

• AQA GCSE Physics 4.4.2.1 (propriedades das radiações alfa, beta e gama): penetração em materiais, alcance no ar e poder ionizante.
• AQA A-level Physics 3.8.1.2, prática obrigatória 12: a lei do inverso do quadrado para a radiação gama, com correção do fundo e da posição desconhecida da fonte.
• IB Physics E.3 (decaimento radioativo) e Cambridge IGCSE Physics 5.2 (detecção e propriedades da radiação).

O Simulic não é afiliado à AQA, ao IB, à Cambridge nem a nenhuma banca examinadora, nem endossado por elas.

Antes do laboratório (5 min)

Peça aos alunos que se comprometam com uma previsão, no papel ou como pergunta 1 do link da turma:

"Qual é o absorvedor mais fino que barra quase toda a radiação beta da fonte?"

Os alunos costumam escolher o chumbo "porque radiação precisa de chumbo", ou o papel "porque é como a alfa". Peça uma justificativa para cada resposta.

Método na simulação

Fique na aba Absorção. Ajuste Velocidade para Instantâneo e Tempo de contagem para 100 s, para que cada contagem seja rápida e precisa.

1. Clique em Contar fundo. Anote a taxa de fundo B.
2. Escolha a fonte β (tipo Sr-90), o absorvedor Nenhum e uma Distância d de 3 cm. Clique em Iniciar contagem. A simulação mostra N, N/t e a taxa corrigida C = N/t − B.
3. Escolha Papel (0,1 mm) e depois Alumínio de 0,5, 1, 2, 3 e 4 mm. Faça uma contagem com cada um e anote C.
4. Mude para γ (tipo Co-60): conte sem absorvedor e depois com Chumbo de 10 mm e de 20 mm.
5. Mude para α (tipo Am-241) sem absorvedor a d = 2, 3 e 4 cm, e depois com papel a 3 cm.
6. Faça o gráfico de C em função da espessura de alumínio para a radiação beta.

Fonte	Absorvedor	Espessura (mm)	d (cm)	N em 100 s	N/t (s⁻¹)	C = N/t − B (s⁻¹)
Fundo	—	—	—			—
β	nenhum / papel / alumínio	0 / 0,1 / 0,5 / 1 / 2 / 3 / 4	3
γ	nenhum / chumbo	0 / 10 / 20	3
α	nenhum / papel	0 / 0,1	2 / 3 / 4

Resultados esperados

Contagens típicas de 100 s na simulação (cada repetição varia um pouco):

• Fundo: cerca de 0,40 contagem/s, 24 por minuto. Uma única contagem de 100 s dá de 0,31 a 0,51.
• Beta a 3 cm: sem absorvedor 159 s⁻¹; papel 151; alumínio de 0,5 mm 65, de 1 mm 26,5, de 2 mm 4,1, de 3 mm 0,4, de 4 mm 0. Através de 1 mm passa cerca de 16,6% (de 15,9 a 17,3% em 30 testes).
• Gama a 3 cm: sem absorvedor 164 s⁻¹; 8 mm de alumínio ainda deixam passar 145; 10 mm de chumbo cerca de 84 (51%), 20 mm cerca de 43.
• Alfa: 48 s⁻¹ a 2 cm, 22 a 3 cm e quase nada a 4 cm; uma folha de papel a barra totalmente.

Com 4 mm de alumínio ou mais, a leitura bruta da fonte beta é igual ao fundo, então C é zero. Sem descontar o fundo, os alunos concluiriam, por engano, que um pouco de radiação beta atravessa o alumínio.

Inverso do quadrado (A-level). Na aba Inverso do quadrado, conte a fonte gama a 5, 10, 20 e 30 cm. C cai de cerca de 72 para 21, 5,8 e 2,6 s⁻¹. Dobrar d de 10 para 20 cm divide C por cerca de 3,7, e não por 4, porque a fonte fica atrás do zero da régua. O gráfico de 1/√C em função de d é uma reta; o melhor ajuste da simulação dá e ≈ 0,9 a 1,2 cm (valor real 0,9 cm).

Perguntas para os alunos

1. (Previsão, repetida depois do laboratório) Qual é o absorvedor mais fino que barra quase toda a radiação beta?
2. Quando você compara absorvedores para a fonte beta, o que precisa ficar igual?
3. Fonte beta, d = 3 cm, sem absorvedor, 100 s: qual é a taxa de contagem corrigida?
4. Acrescente 1 mm de alumínio. Que porcentagem da taxa de contagem beta passa?
5. Com 5 mm de alumínio o contador continua estalando. Explique por que, e por que o fundo é descontado.

Respostas para o professor: (1) Alguns milímetros de alumínio. (2) A fonte e sua distância até o tubo. (3) Cerca de 159 s⁻¹ (aceite de 155 a 164). (4) Cerca de 16,6% (aceite de 15 a 18,5%). (5) Todas as partículas beta são barradas; os estalos são radiação de fundo (cerca de 0,4 por segundo, vinda de rochas, construções e raios cósmicos). Ela está presente em todas as leituras, então precisa ser medida e descontada.

Erros conceituais comuns

• "Os raios gama são barrados pelo chumbo." O chumbo só os reduz: 10 mm cortam a taxa pela metade, 20 mm deixam um quarto.
• "Uma leitura zero significa zero contagens." O tubo sempre conta o fundo, então a leitura bruta nunca fica abaixo de cerca de 0,4 s⁻¹.
• "Uma contagem repetida deveria dar o mesmo número." O decaimento é aleatório. Uma contagem mais longa dá um N maior e uma incerteza percentual menor, 1/√N.

Extensão

• Aba Campos: compare como as radiações alfa e beta se desviam em campos magnéticos e elétricos, e por que a gama segue reta.
• Camada semirredutora: conte a radiação gama através de 0 a 30 mm de chumbo e encontre a espessura que reduz C à metade (cerca de 10 mm).

Perguntas frequentes

É seguro substituir a prática real?

A simulação é segura, mas não substitui o trabalho prático quando sua banca examinadora o exige. Use-a para planejar o método, praticar a correção do fundo e analisar dados. Veja laboratórios virtuais vs. laboratórios reais.

Por que meus alunos obtêm números diferentes?

Cada contagem é aleatória (Poisson), como numa fonte real. Isso é uma vantagem: compare os resultados da turma e discuta a incerteza.

Posso fixar as configurações para minha turma?

Sim. No seu link da turma, defina os valores iniciais da fonte, do absorvedor, da espessura, da distância e do tempo de contagem. A nota abaixo da simulação lista os valores do modelo, como a taxa de fundo.

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