Taustasäteilyn havainnollistaminen diffuusiosumukammiolla Säteilevä ympäristö -työpajassa

Abstract

Tutkimus suoritettiin kahdelle Oulun Tietomaan tiedeleiri ryhmälle ja yhdelle kouluryhmälle kahden tunnin Säteilevä ympäristö -työpajana Oulun Tietomaassa kesällä sekä syksyllä 2014. Tutkimusryhmät koostuivat pääasiassa 5.–6. vuosiluokan oppilaista. Työpajassa oppilaat rakensivat itse sumukammion, jolla he tekivät havaintoja taustasäteilystä. Tutkimus suoritettiin kyselytutkimuksena ennen työpajan aloitusta ja heti työpajan jälkeen. Kyselyillä kartoitettiin oppilaiden esitietoja ja sitä, mitä työpajasta oli jäänyt mieleen. Auttoiko sumukammio tuomaan esiin säteilyn hiukkasluonnetta? Ymmärtävätkö oppilaat havaitut radat säteilyn synnyttämiksi?

Tutkimukseen osallistuneista oppilaista suurin osa oli alakoululaisia. Säteily ei kuulunut heidän opetussuunnitelmansa sisältöön, joten epäilin oppilaiden kykyä suoriutua työpajasta. Tutkimushypoteesina oletin, että alakoululaisilla ei ole esitietoja säteily- ja hiukkasfysiikasta. Tiedeleiri-ryhmissä oli muutamia yläkoululaisia. Heillä oli tietoa säteilystä koska se kuuluu yläkoulun opetussuunnitelman sisältöön.

Tutkimuksessa havaittiin alakoululaisten ja yläkoululaisten opetussuunnitelmien eriävistä sisällöistä johtuvia eroja. Yläkoululaisten kanssa voidaan käyttää tarkempia ja tieteellisempiä termejä, kuin alakoululaisen kanssa. Riippumatta oppilaan osaamistasosta oppilaat onnistuivat tekemään havaintoja itse rakennetulla sumukammiolla. Työpajassa onnistuttiin havainnollistamaan taustasäteilyn synnyttämiä ratoja sumukammiossa. Säteilyn hiukkasluonne jäi osalta oppilaista ymmärtämättä vaillinaisten tietojen takia. Hiukkassäteily oli alakoululaisille liian haastavaa, sillä hiukkassäteily -termi oli heille vieras. Tulosten mukaan säteilyn koostuminen hiukkasista oli oppilaista hyväksyttävää.

Oppilaat kykenivät rakentamaan pareittain sumukammion ja havainnoimaan sillä taustasäteilyä. Kaikki oppilaat onnistuivat tekemään havaintoja. Yleisin havainto oli ohut rata eli kyseessä oli beetahiukkasen tai myonin jättämä rata. Vain joka kymmenes teki useita havaintoja. Sumukammio ja ratojen havainnointi oli heille uutta. Hentojen ratojen havainnointi vaati oppilailta keskittymistä. Oppilaiden mielenkiintoa ratojen havainnoinnista vei kuivajää. Oppilaat eivät tehneet eroa syntyneiden ratojen välillä. Itse rakennetussa sumukammiossa ratojen erottaminen vaatii harjaantunutta silmää. Oppilaille pitää esittää toisistaan selvästi erottuvat radat. Työpajaa pitää kehittää niin, että radat eroavat selvästi toisistaan. Kaksi selvästi silmin havaittavaa eri rataa saadaan, kun havainnoidaan alfa- ja beetaratoja. Alfaradat synnytettäisiin sumukammioon alfalähteellä.

The study was conducted throughout spring and autumn 2014 on three groups of students through the Radiant environment workshop at Oulu’s Tietomaa science centre. Two of the groups came through Tietomaa’s science camp and one was a comprehensive school class group. The groups consisted primarily of 5th and 6th grade lower comprehensive school students. In the workshop, students constructed a cloud chamber to observe background radiation. The study was conducted as a question-based survey before and after the workshop, and it charted the students’ prior background knowledge and what they learned in the workshop: Did the cloud chamber help them observe the particle nature of radiation? Do the students understand that the visible cloud chamber trails are caused by radiation?

The majority of students to participate in the study were lower comprehensive school students. The concept of radiation was not a part of their curriculum: Therefore I was sceptical about their chances of managing through the workshop. My study hypothesis was that lower comprehensive school students do not possess prior knowledge on radiation or particle physics. Some of the students in the science camp groups were upper comprehensive school students, and they did possess knowledge on radiation due to it being part of the upper comprehensive curriculum.

The study observed group differences due to differing curricula. With upper comprehensive school students, a more precise scientific vocabulary could be adopted. Independent of the level of prior knowledge, students succeeded in making observations using a self-constructed cloud chamber. The workshop succeeded in demonstrating trails created by background radiation in the chamber. The particle nature of radiation was not understood by all the students due to their insufficient prior knowledge. Particle radiation proved too challenging a concept for lower comprehensive school students as they had no background knowledge and did not understand the concept. According to the study results, the students found the notion that radiation consists of particles agreeable.

The students, working in paired assignments, were able to construct a cloud chamber and observe the background radiation. All students succeeded in making at least one observation. The most-often made observation was a thin trail, left by a beta particle or a muon. Only ten per cent of the students were able to make multiple observations. The diffusion cloud chamber and particle trails were new to them. It required the students substantial focus to observe thin trails. The visual aspects of dry ice detracted students from the matter at hand. The students were not able to discern differences between trails, as it requires a trained eye to discern different trail types in a self-constructed cloud chamber. The students needed to be directly shown the differences in trail types, and the workshop should be improved so that trail types would be visibly different to students: Two distinctively differing types of trails can be achieved by observing alpha and beta trails. Alpha trails would be generated into the cloud chamber using a source of alpha particles.