FUNCIONAMENTO

Vamos agora para uma das partes mais divertidas do estudo de física: os experimentos! Vamos usar boa parte do que aprendemos até agora, mas, principalmente o conceito de IONIZAÇÃO. Vamos construir um detector Geiger teórico utilizando alguns conceitos de eletricidade. Se você ainda não teve aulas de eletricidade ou não se lembra de circuitos elétricos, explicaremos a seguir.

O contador Geiger ou detector Geiger é um dos diversos dispositivos eletrônicos utilizados para detectar radiações ionizantes. Escolhemos o Geiger porque ele pode ser utilizado em monitoramentos radiológicos, ou seja, você pode usá-lo para detectar se em um determinado local há uma fonte radioativa ou não. Legal né? Mas como ele funciona?

Assim como qualquer dispositivo eletrônico, o Geiger é um CIRCUITO ELÉTRICO / ELETRÔNICO. Trata-se de um caminho fechado por onde há circulação de carga elétrica. Não vamos entrar em detalhes sobre cada um dos componentes eletrônicos do detector. Para nós, basta entender o básico, e isso envolve dois conceitos:

• CORRENTE ELÉTRICA: trata-se de carga em movimento (Halliday et al, 2012). Convencionou-se que o sentido da corrente seria o mesmo das cargas positivas (e, portanto, oposto à movimentação dos elétrons). A unidade de corrente elétrica é o Ampère [A], e equivale a 1 Coulomb [C] por segundo [s].

• TENSÃO ELÉTRICA: É a diferença de potencial (positivo ou negativo) capaz de gerar a força eletromotriz para mover a carga através do circuito. Sua unidade é o Volt [V]

O circuito do nosso Geiger é composto, simplificadamente, por um TUBO GEIGER onde ocorre a ionização, uma fonte de TENSÃO para mover a carga, um AMPLIFICADOR que aumenta a intensidade do sinal elétrico gerado e o MEDIDOR DE SINAL.

Como falamos anteriormente, não vamos nos aprofundar nos circuitos eletrônicos do detector. Você pode, no entanto, ter uma ideia de como são esses circuitos vendo a foto de capa dessa página! Sim, é um módulo de Arduíno específico para montar um detector Geiger. No circuito mostrado falta porém, a parte mais importante do detector, parque que nós vamos detalhar a partir de agora: trata-se do TUBO GEIGER.

Ao atravessar a janela do tubo Geiger, a radiação ioniza o gás em seu interior, como esquematizado à seguir:

Não entendeu? Melhor com um exemplo: uma partícula alfa geraria mais cargas no gás do que uma partícula beta ou um fóton gama. Justamente por ter mais carga e mais massa. No entanto, nós queremos um detector que, independente da partícula incidente, gere a mesma quantidade de sinal.

Sim! É possível fazer isso, basta aumentar a diferença de potencial entre os eletrodos. É claro, apenas aumentar a tensão não transforma uma câmara de ionização em um Geiger. É preciso ter um circuito eletrônico adequado para que o detector não queime. Não vamos nos aprofundar nesses circuitos, basta saber que eles devem existir para o Geiger funcionar. Agora sim, vamos entender o que acontece quando a tensão aumenta.

Como nós já falamos, a tensão é a diferença de potencial capaz de gerar força eletromotriz para mover as cargas certo? Vamos pensar no elétron livre no gás. Ao aumentar a tensão entre os eletrodos, nós aumentamos a força elétrica que age no elétron. Nós sabemos que a força é calculada como sendo o produto da massa pela aceleração, certo? Lembra das aulas de mecânica? O que acontece quando nosso elétron acelera? Muito bem! A velocidade dele aumenta em módulo e quanto maior esse módulo, maior a energia cinética do nosso elétron.

Nosso Geiger, porém, tem uma tensão muito elevada. Essa tensão não faz os elétrons apenas ionizarem os átomos, mas deixá-los em um estado de maior energia. O processo natural é o retorno desses átomos ao nível fundamental, emitindo fótons.

Os fótons são fundamentais para o nosso detector e você sabe dizer o porquê: eles não tem carga! Logo qualquer fóton no interior do tubo não está sujeito a nenhuma força gerada pela diferença de potencial entre os eletrodos. Isso permite que os fótons percorram distâncias maiores dentro do tubo gerando novas cadeias de ionizações, ou seja, gerando novas avalanches.

Nós falamos sobre como a partir da ionização inicial os elétrons desencadeiam uma avalanche, mas... e os íons positivos? Bom, para gerar o sinal eles também precisam ser coletados, e são! Porém, como eles são mais pesados que os elétrons, eles são menos acelerados. Isso faz com que os elétrons sejam coletados pelo ânodo mais rapidamente que os íons positivos são coletados pelo cátodo. Isso pode não parecer um problema mas é: em função da diferença de velocidade, ao final da descarga Geiger, há um acúmulo de carga positiva próximo ao ânodo. Isso acaba por gerar uma espécie de NUVEM DE CARGAS POSITIVAS, o que acaba por impedir novas avalanches.

Os íons positivos, porém, tendem a ser coletados pelo cátodo. Aos poucos o acúmulo de carga positiva nas proximidades do ânodo diminui e novas avalanches podem acontecer, gerando a descarga Geiger. O intervalo de tempo entre o final da descarga Geiger e o instante onde outra descarga pode acontecer é chamado de TEMPO MORTO. Nesse intervalo, qualquer partícula que entrar no detector não vai gerar nenhuma avalanche - e, portanto, não vai gerar outra descarga.

Ok, é só esperar para medir uma fonte e outra, você pode dizer, mas não é tão simples. O tempo morto é uma limitação do Geiger. Imagine que queiramos medir uma amostra de alta atividade, isto é, alta taxa de emissão de partículas radioativas. Neste caso, muitas partículas entram no detector, mas só algumas vão gerar o sinal. Isso porque, qualquer partícula que entrar no tubo enquanto a nuvem positiva estiver perto do ânodo, não teremos nenhuma avalanche.

HALLIDAY, David; RESNICK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física: Eletromagnetismo. Vol. 3, 9th Edition, ed. LTC, 2012.

SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Currículo Paulista Etapa Ensino Médio. São Paulo, 2020, 301 p.

SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Habilidades Essenciais de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2020-2021. São Paulo, 2020, 10 p.