Come costruire un contatore geiger con Arduino

I meccanismi terrestri sono fortemente influenzati da reazioni che avvengono nel nostro pianeta da miliardi di anni.

Questi processi sono sono invisibili agli occhi dell’uomo: le reazioni nucleari.

Grazie alle reazioni nucleari, generate dal decadimento degli isotopi nel nucleo del nostro pianeta è possibile la tettonica a placche. Inoltre grazie allo stesso tipo di reazioni si possono datare le rocce etc.

In questo post vediamo come assemblare, con poche decine di euro, un contatore geiger con il quale possiamo misura le radiazioni che emette un oggetto.

Prima di vedere la costruzione vera e propria del nostro contatore, faccio una piccola introduzione alla struttura di un atomo e sul decadimento radioattivo.

La struttura di un atomo

Un atomo è formato da un nucleo nel quale ci sono due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni. Il protone ha carica elettrica positiva (si indica con p+) mentre i neutroni hanno carica neutra (i neutroni si indicano con n).

Gli elettroni invece hanno carica elettrica negativa e si indicano con e^–.

L’atomo è elettricamente neutro, perché il numero di protoni (numero atomico,indicata con Z) è uguale a quello degli elettroni. Una caratteristica molto importante degli atomi è la massa atomica (che si indica con A), ovvero la somma tra protoni e neutroni.

Gli atomi dei diversi elementi presenti in natura si distinguono tra di loro per il diverso numero di protoni.

Quando il nucleo di un elemento tende spontaneamente a raggiungere uno stato stabile attraverso l’emissione di una o più particelle. In questo caso si parla di isotopo: un isotopo è un atomo che ha massa atomica diversa rispetto ad un altro atomo dello stesso elemento; due isotopi hanno quindi lo stesso numero di protoni (cioè lo stesso numero atomico) ma diverso numero di neutroni.

Molti degli isotopi esistenti in natura sono stabili, però alcuni isotopi naturali e buona parte degli isotopi artificiali sono instabili. Tale instabilità induce la spontanea trasformazione in altri isotopi che si accompagna con l’emissione di particelle atomiche. Questi isotopi sono chiamati isotopi radioattivi, radionuclidi, o radioisotopi.

Il decadimento radioattivo è la trasformazione di un isotopo che decade in un altro atomo, il quale può essere anch’esso radioattivo oppure stabile.

Che cosa è la radioattività

I nuclei degli atomi instabili si trasformano spontaneamente, alla ricerca di stabilità, emettendo particelle o energia radiante. Questi processi danno luogo al fenomeno che chiamiamo radioattività.

Il decadimento radioattivo causa un cambiamento di Z e di N rispetto al radionuclide padre e così determina la trasformazione dell’atomo di un elemento in un atomo di un altro elemento. L’atomo figlio può essere a sua volta radioattivo che può decadere per formare un isotopo o un altro elemento. Questo processo continua finché non si forma un atomo stabile.

Il decadimento radioattivo avviene per emissione di tre diversi tipi di radiazioni nucleari: alfa, beta e gamma.

Decadimento alfa

Questo tipo di decadimento si ha quando l’isotopo di un elemento con elevato numero atomico emette una particella alfa, composta da due protoni e da due neutroni.

Le particelle alfa sono fortemente ionizzanti e perciò perdono rapidamente la loro energia attraversando la materia. In aria possono viaggiare per pochi centimetri e in materiali più densi ancor meno. Un foglio di carta è pertanto in grado di fermare la radiazione alfa.

Decadimento beta

Il decadimento beta è tipico dei nuclei troppo ricchi in neutroni rispetto ai protoni e che quindi devono aumentare il numero di protoni per stabilizzarsi. La stabilizzazione avviene con il decadimento di un neutrone in un protone, un elettrone un antineutrino.

Decadimento gamma

Il decadimento beta è tipico dei nuclei troppo ricchi in neutroni rispetto ai protoni e che quindi devono aumentare il numero di protoni per stabilizzarsi. La stabilizzazione avviene con il decadimento di un neutrono in un protone, un elettrone un antineutrino.

Decadimento gamma

Il decadimento gamma è l’unico decadimento radioattivo che non muta la natura del nucleo che decade e tipicamente si ha a seguito di un decadimento di tipo alfa o beta.

Quando i nucleoni in un nucleo non sono al loro livello fondamentale si riassestano emettendo fotoni.

Tipicamente quando un nucleo decade alfa o beta il nucleo figlio che viene generato non è al suo livello fondamentale, così spesso dopo un decadimento alfa o beta il nucleo figlio prodotto decade gamma per potersi portare al suo livello stabile.

Il potere penetrante della radiazione gamma è molto superiore rispetto ai decadimenti precedenti: fino a centinaia di metri in aria, attraversano facilmente il corpo umano e sono fermate da alcuni centimetri di piombo o decimetri di cemento.

La fissione nucleare

La fissione nucleare è un processo fisico in cui il nucleo atomico di un elemento chimico pesante – come ad esempio l’uranio²³⁵ o il plutonio²³⁹ – decade in frammenti di minori dimensioni, ovvero in nuclei di atomi a numero atomico inferiore, con emissione di una grande quantità di energia e radioattività.

La fissione può essere naturale o essere indotta artificialmente con un bombardamento di neutroni.

È la reazione nucleare comunemente utilizzata nei reattori nucleari e nelle bombe atomiche, come le bombe all’uranio (tipo quella che colpì Hiroshima) o le bombe al plutonio (come l’ordigno che rase al suolo Nagasaki).

Hai visto la serie televisiva Chernobyl, che parla del disastro nucleare del 26 aprile 1986?

Io non ero ancora nato (sono nato esattamente un mese dopo la tragedia di Chernobyl), ma ho sentito molte volte i racconti di mia madre – all’epoca in mia attesa – sul dramma di quel evento e sulla preoccupazione intorno alla nube radioattiva che stava viaggiando verso l’Europa.

L’esplosione del reattore 4 della centrale di Chernobyl fu dovuta ad una serie di errori umani.

Il primo, un difetto di progettazione di quel tipo di reattore, l’RBMK, nelle barre di controllo composte di bario (che servono per tenere sotto controllo le reazioni di fissione atomica).

Il secondo, quello di tener nascosta tale imperfezione anche agli stessi tecnici che lavoravano nelle centrali. Tecnici che, spesso, erano giovani e privi di esperienza, peraltro all’interno di un regime politico in cui cercare di far valere la propria opinione metteva a repentaglio la proprio vita.

La datazione radiometrica delle rocce

Il metodo più usato per stimare l’età in anni delle rocce è basato sulla radioattività naturale di alcuni atomi che fanno parte dei reticoli cristallini dei minerali che le compongono.

Il decadimento avviene per ogni elemento secondo un ritmo preciso, dettato dal tempo di dimezzamento, cioè il tempo necessario perché la quantità di isotopo radioattivo si dimezzi.

Per alcuni isotopi il tempo di dimezzamento è questione di frazioni di secondo, per altri di migliaia, milioni o anche miliardi di anni.

Per misurare l’età radiometrica di una roccia si conta, usando un apposito strumento, il numero di isotopi instabili di un elemento ancora presenti e il numero di isotopi stabili derivati dal decadimento.

Conoscendo il tempo di dimezzamento, è possibile calcolare quanto tempo è trascorso dal momento in cui gli isotopi radioattivi sono entrati a far parte del reticolo cristallino del minerale, cioè dal momento in cui si è formato quel minerale.

Componenti del contatore geiger

Per costruire il nostro contatore geiger servono i seguenti componenti:

• Scheda Elegoo uno R3
• Scheda con tubo Geiger-Muller
• Schermo LCD
• Potenziometro 10K
• Cavetti per collegamenti
• Basetta
• Powerbank

Di seguito inserisco i link Amazon dei rispettivi componenti, così puoi facilmente acquistarli per costruire il tuo contatore:

Collegamenti fra i componenti del contatore geiger

Per collegare tra loro i diversi componenti, segui le tabelle sottostanti.

I restanti pin del potenziometro sono il + e il -, che vanno collegati al 5V e a GND della scheda Arduino.

Guarda l’immagine sotto per maggiore chiarezza!

Il codice del contatore geiger

Una volta eseguiti i collegamenti, passiamo al lato programmazione.

Innanzitutto devi scaricare ed installare l’IDE di Arduino:

Una volta installato l’Arduino IDE apri un nuovo documento e copia il codice che trovi sotto. Salva e carica sulla scheda: pigia sull’icona a forma di freccia che punta a destra.

// include the library code:

#include <LiquidCrystal.h>
#include <SPI.h>

volatile unsigned long CNT; // variable for counting interrupts from dosimeter
unsigned long counts;     //variable for GM Tube events
unsigned long cpm;        //variable for CPM
unsigned int multiplier;  //variable for calculation CPM in this sketch
unsigned long previousMillis;  //variable for time measurement
unsigned long dispPeriod; // variable for measuring time
unsigned long CPM; // variable for measuring CPM
// initialize the library with the numbers of the interface pins

LiquidCrystal lcd = LiquidCrystal(2, 3, 4, 5, 6, 7);

void setup() { // setup
lcd.begin(16, 2);
CNT = 0;
CPM = 0;
dispPeriod = 0;
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print(" INTRAGEO ");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print(" CONTATORE GEIGER ");
delay(2000);
cleanDisplay();
attachInterrupt(0,GetEvent,FALLING); // Event on pin 2
}

void loop() {
lcd.setCursor(0,0); // print text and CNT on the LCD
lcd.print("CPM:");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("CNT:");
lcd.setCursor(5,1);
lcd.print(CNT);

}

void GetEvent(){ // Get Event from Device
CNT++;
}

void cleanDisplay (){ // Clear LCD routine
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.setCursor(0,0);
}

A questo punto sullo schermo vedrai i conteggi delle radiazioni al minuto!

Sei pronto a costruire il tuo contatore geiger?

Acquista i componenti che ho elencato in precedenza e in caso di problemi non esitare a contattarmi alla seguente mail: info@intrageo.it!

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