Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Pozorujte rozpad radionuklidů ve vzduchu pomocí Geigerova čítače a počítače. (Dobře, není to novinka, protože tento experiment děláme už 20 let… jen jsme ho opomněli přidat do našeho seznamu.)

Co to ukazuje:

Filtrování prachových částic ze vzduchu je standardní postup pro sledování úrovně radiace. Při experimentu se používá nabitý balon, který prach (a případné radionuklidy, které se na něm nacházejí) vytahuje ze vzduchu. Úroveň záření v balónu se sleduje pomocí Geigerova čítače a sleduje se poločas rozpadu produktů rozpadu.

Jak to funguje:

Všechny těžké prvky (Z>83), které se vyskytují v přírodě, jsou radioaktivní a rozpadají se emisí alfa nebo beta. Všechny v přírodě se vyskytující těžké radionuklidy navíc patří do jedné ze tří řad: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium a (3) 232Thorium. Všechny tři řady obsahují jeden plynný člen (izotop Rn) a končí stabilním izotopem Pb.

Řada radia začíná izotopem 238U. Uran a jeho prvních pět dcer jsou pevné látky, které zůstávají v půdě, ale pátá dcera 226Ra se rozpadá na 222Rn. Tato dcera, nazývaná radon, je vzácný plyn, který není chemicky vázán v materiálu, v němž se nacházeli jeho rodiče. Poločas rozpadu 222Rn (3,82 d) je dostatečně dlouhý na to, aby se velká část tohoto plynu dostala do atmosféry. Radon vzniká i v dalších dvou řadách. Tyto izotopy radonu však mají menší radiologický význam. V thoriové řadě vzniká 220Rn, který se také nazývá thoron. Poločas rozpadu 220Rn je 56 s, a proto má mnohem větší šanci se rozpadnout, než se dostane do ovzduší. Aktiniová řada produkuje po několika přeměnách z relativně vzácného původního nuklidu 235U nuklid 219Rn, který se také nazývá aktinon. Jeho poločas rozpadu je pouze 4 s a jeho příspěvek k radonu v ovzduší je zanedbatelný. Proto se budeme zabývat pouze radonem z řady radia. Rozpadový řetězec radonu je následující:1

Na techniku použití balónu pro získávání radioaktivních látek ze vzduchu nás upozornil T. A. Walkiewicz.2 Dceřiné produkty radonu se vážou na kladně nabité částice aerosolu. Tyto částice jsou snadno přitahovány záporně nabitým objektem (v tomto případě balónem), čímž se vytváří radioaktivní zdroj s poločasem rozpadu sloučeniny přibližně ?? minut. Přečtěte si, proč uvádíme poločas rozpadu ?? minut.

Protože nevíme, v jakém poměru byly dceřiné nuklidy radonu zachyceny na balónu, není vůbec jasné, jaký poločas rozpadu byl naměřen. Můžeme však odvodit následující. Za prvé, poločas rozpadu Po-218 je dostatečně krátký na to, aby se jeho aktivita po několika minutách výrazně snížila a mohla být zcela ignorována po dobu delší. Například za 21 minut (7 poločasů rozpadu) klesne množství Po-218 na 1/128 původního množství. Efektivní poločas rozpadu radioaktivního balónu se pak řídí především aktivitami Pb-214 a Bi-214, které mají poločasy rozpadu 27, resp. 20 minut. Pokud se údaje vyhodnotí jako důsledek jediného efektivního poločasu rozpadu, bude stanovená hodnota záviset jak na relativním množství těchto izotopů, které byly shromážděny na prvním místě, tak na jejich rozpadu. Kromě toho, přestože balón emituje částice alfa a záření gama, většinu aktivity zjištěné Geigerovým čítačem tvoří částice beta z Pb-214 a Bi-214. Záření gama má pro Geigerův čítač mnohem nižší detekční účinnost než částice beta a mnoho částic alfa z Po-218 je pohlceno balónem, okolním vzduchem a stěnou Geigerovy trubice. Proto můžete zjistit, že děj radioaktivního rozpadu v prvních přibližně 20 minutách skutečně stoupá (CPM se zvyšuje), vyrovnává se a poté klesá. Toto zdánlivě podivné chování lze přičíst skutečnosti, že radiační monitor není tak citlivý na rozpad Po-218, ale jak množství Pb-214 narůstá (v důsledku rozpadu Po-218), rychlost počítání stoupá, protože monitor je citlivý na rozpad Pb-214. „Mrtvá doba“ detektoru nebyla měřena a může mít rovněž vliv. Závěrem lze říci, že měření efektivního poločasu rozpadu není vůbec „čisté“ měření. Vzhledem k tomu je níže uveden snímek obrazovky skutečného 1,5 hodiny trvajícího běhu v přednáškovém sále A.

Dělení na horizontální stupnici je 3 sekundy, takže 1500 počtů na vertikální stupnici odpovídá ohromujícím 30 000 počtům za minutu. Rychlost pozadí byla přibližně 65 cnts/min, takže počáteční aktivita balónu byla více než 460krát vyšší než pozadí! Rychlost počítání klesla na polovinu původní hodnoty asi po 3000 sekundách, tedy po 50 minutách. Je zřejmé, že naměřený rozpad nemá v prvních 1,5 hodinách exponenciální charakter, takže se dějí komplikované věci.

Další snímek obrazovky je z 12hodinového běhu, abychom zjistili, zda naměřený rozpad vypadá dlouhodoběji exponenciálně (binning je zde 5 sekund).

Z nějakého důvodu byl tento běh blíže tomu, co by se dalo očekávat: počínaje přibližně 45 minutami běhu se zdá, že poločas rozpadu je asi 38 minut. V následujících hodinách klesá na přibližně 35 minut, což je stále výrazně více, než by se dalo očekávat od Pb-214 a Bi-214, které mají poločasy rozpadu 27, resp. 20 minut. Po 17 hodinách byla aktivita stále přibližně 150 cpm, což je přibližně dvojnásobek pozadí.

Abychom pomohli rozluštit pozorovaný podivně dlouhý poločas rozpadu, byl experiment zopakován a balónek byl umístěn do scintilačního spektrometru NaI. Bylo pozorováno pět velmi silných píků gama. Dva z nich byly identifikovány jako gama spojené s rozpadem Pb-214 (353 keV) a Bi-214 (609 keV), což jsou dcery radonu. Na druhé straně silný pík 239 keV byl s největší pravděpodobností způsoben přítomností Pb-212, dceřiného rozpadu thoronu. Pb-212 se rozpadá na Bi-212 emisí β (0,346 MeV) a má poločas rozpadu 10,6 h (podrobnosti jsou uvedeny v demonstraci rozpadu thoronu níže). Přestože má thoron poločas rozpadu pouhých 56 sekund, ze země se ho zřejmě dostává dostatečné množství, takže jeho potomstvo je také zachyceno balónem. Ještě jedna poznámka, gama záření 727 keV spojené s rozpadem Bi-212 (poločas rozpadu = 60,6 min) nebylo pozorováno. Pouze 7 % rozpadů vyzařuje toto gama, a proto byla jeho signatura příliš slabá na to, aby se objevila na pozadí.

Nastavení:

Zavěste balón o průměru 12″ tak, aby byl relativně daleko od všeho kolem, protože je snadno přitahován vším, co je v dosahu. Nabijte balónek tak, že jej potřete králičí srstí, a nechte jej přibližně 30 minut nerušeně působit. Poté se balónek sejme z provázku a opatrně se vypustí propíchnutím otvoru v nafukovacím konci. Poté se balónek rozplácne na stole a položí se na něj Geiger-Muellerův čítač3. Výstup čítače je připojen k počítači iMac prostřednictvím rozhraní Vernier LabQuest. Software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) zobrazuje příchozí počty v závislosti na čase, podobně jako vícekanálová stupnice. Počáteční rychlost počítání je překvapivě vysoká – více než 460násobek rychlosti pozadí. Obvykle pořizujeme data po dobu 1 hodiny nebo déle. Proto je nejlepší nabít balón 1/2 hodiny před hodinou, pokud chcete vidět jeden nebo dva poločasy rozpadu.

Vzdušný radon sám o sobě představuje malé zdravotní riziko. Jako inertní plyn není vdechovaný radon v těle zadržován ve významném množství – neulpívá na stěnách dýchacích cest ani hluboko v plicích. Potenciální zdravotní riziko vzniká, když se radon ve vzduchu rozpadá a vytváří neplynné radioaktivní dcery – dcery jsou reaktivní těžké kovy, které se rychle přichytí na věci v místnosti, jako je nábytek nebo v případě vzduchu v místnosti kouř, vodní pára nebo prach, často souhrnně nazývané aerosoly. V této podobě mohou být tyto radioaktivní částice vtaženy do dýchacích cest nebo hluboko do plic. V této situaci, kdy je částice alfa emitována uvnitř plic, ukládá veškerou svou energii lokálně v malé tloušťce přilehlé tkáně. Částice beta emitovaná do plic ukládá svou energii na mnohem větší vzdálenost, přibližně 4 mm.5

1. V případě, že je emitována částice beta, ukládá se její energie na mnohem větší vzdálenost. F.W. Walker, D.G. Miller a F. Feiner, Chart of the Nuclides, (General Electric Co., San Jose CA, 1984).

2. T.A. Walkiewicz, „The Hot Balloon (Not Air)“, The Phys Teacher 33, 344-345 (září 1995). Dřívější článek J. C. Cowieho, Jr. a T. A. Walkiewicze, „Radioactiveball,“ TPT 30, 16-17 (leden 1992) měřil radioaktivitu házenkářského míče poté, co byl 50 minut ve hře.

3. Počítadlo je model Radalert Inspector od společnosti International Medcom. Má poměrně velké okénko (průměr 1,75″) s hustotou 1,5-2,0 mg/cm2 , což je pro tuto aplikaci ideální. Dvojitý miniaturní výstupní konektor řídí zařízení CMOS nebo TTL a posílá počty do počítače nebo záznamníku dat.

4. Podle technického listu má Inspector pouze asi 36% účinnost při detekci alfa, zatímco při detekci 1 MeV bety (z Bi-214) má 65% účinnost a při detekci 3 MeV bety (z Pb-214) má 80% účinnost.

5. Podle technického listu má Inspector pouze asi 36% účinnost při detekci alfy, zatímco při detekci 1 MeV bety (z Bi-214) má 65% účinnost a při detekci 3 MeV bety (z Pb-214) má 80% účinnost.

5. Pro více informací viz M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) a J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995)..