Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Oplev henfaldet af luftbårne radionuklider med en Geigertæller og en computer. (OK, det er ikke nyt, da vi har lavet eksperimentet i 20 år… vi har bare forsømt at tilføje det til vores liste.)

Hvad det viser:

Filtrering af støvpartikler fra luften er en standardprocedure til overvågning af strålingsniveauer. I forsøget bruges en ladet ballon til at trække støvet (og eventuelle radionuklider, der befinder sig på det) ud af luften. Ballonens strålingsniveau overvåges af en Geigertæller, og halveringstiden for henfaldsprodukterne observeres.

Sådan fungerer det:

Alle tunge grundstoffer (Z>83), der findes i naturen, er radioaktive og henfalder ved alfa- eller beta-emission. Desuden tilhører alle de naturligt forekommende tunge radionuklider en af tre serier: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium og (3) 232Thorium. Alle tre serier indeholder et gasformigt medlem (en isotop af Rn) og ender med en stabil isotop af Pb.

Radiumserien starter med 238U. Uran og dets fem første datterstoffer er faste stoffer, der forbliver i jorden, men den femte datter 226Ra henfalder til 222Rn. Denne datter, der kaldes radon, er en ædelgas, som ikke er kemisk bundet i det materiale, hvor dens forældre har opholdt sig. Halveringstiden for 222Rn (3,82 d) er lang nok til, at en stor del af gassen kan arbejde sig ud i atmosfæren. Radon dannes også i de to andre serier. Disse isotoper af radon er dog af mindre radiologisk betydning. I thoriumserien dannes 220Rn, som også kaldes thoron. 220Rn har en halveringstid på 56 s og har derfor en langt større chance for at henfalde, inden det bliver luftbårent. Actinium-serien producerer 219Rn, også kaldet actinon, efter adskillige transformationer fra den relativt sjældne oprindelige 235U-nuklid. Dets halveringstid er kun 4 s, og dets bidrag til luftbåren radon er ubetydeligt. Vi vil derfor kun se på radon fra radiumserien. Radons henfaldskæde er som følger:1

Teknikken med at bruge en ballon til at udvinde radioaktive stoffer fra luften blev gjort opmærksom på af T.A. Walkiewicz.2 Radons datterprodukter bliver bundet til positivt ladede aerosolpartikler. Disse partikler tiltrækkes let af et negativt ladet objekt (i dette tilfælde en ballon), hvorved der opbygges en radioaktiv kilde med en halveringstid på ca. ?? minutter. Læs videre for at få at vide, hvorfor vi angiver halveringstiden halveringstiden som ?? minutter.

Da vi ikke ved, i hvilket forhold radonens datternuklider er blevet samlet på ballonen, er det slet ikke klart, hvilken halveringstid der er blevet målt. Vi kan dog udlede følgende. For det første er halveringstiden for Po-218 kort nok til, at dens aktivitet vil være stærkt reduceret efter flere minutter og helt kan ignoreres i tider længere end det. På 21 minutter (7 halveringstider) vil mængden af Po-218 f.eks. være faldet til 1/128 af den oprindelige mængde. Den radioaktive ballons effektive halveringstid bestemmes derefter hovedsagelig af aktiviteterne af Pb-214 og Bi-214, som har halveringstider på henholdsvis 27 og 20 minutter. Hvis dataene beregnes som værende forårsaget af en enkelt effektiv halveringstid, vil den fastsatte værdi afhænge både af de relative mængder af disse isotoper, der blev indsamlet i første omgang, og af deres henfald. Selv om ballonen udsender alfapartikler og gammastråler, er størstedelen af den aktivitet, der påvises af Geigertælleren, betapartikler fra Pb-214 og Bi-214. Gammastråler har en meget lavere detektionseffektivitet end beta-partikler for en Geigertæller, og mange af alfapartiklerne fra Po-218 absorberes af ballonen, den mellemliggende luft og Geigerrørets væg. Derfor kan du opleve, at plottet for det radioaktive henfald faktisk stiger (CPM stiger) i de første ca. 20 minutter, hvorefter det stabiliserer sig og derefter falder. Denne tilsyneladende mærkelige opførsel kan tilskrives det faktum, at strålingsmåleren ikke er så følsom over for Po-218-henfaldet, men efterhånden som mængden af Pb-214 øges (på grund af Po-218-henfaldet), stiger tællehastigheden, fordi måleren er følsom over for Pb-214-henfaldet. Detektorens “dødtid” er ikke blevet målt, men kan også have en effekt. Det kan konkluderes, at den effektive halveringstidsmåling slet ikke er en “ren” måling. Når det er sagt, er det følgende et skærmbillede af en faktisk 1,5 times kørsel i foredragssal A.

Binning på den horisontale skala er 3 sekunder, så de 1500 counts på den vertikale skala svarer til forbløffende 30.000 cnts/min. Baggrundshastigheden var ca. 65 cnts/min, så den oprindelige ballonaktivitet var over 460 gange så stor som baggrundshastigheden! Tælletallet faldt til halvdelen af den oprindelige værdi efter ca. 3000 sekunder, eller 50 minutter. Det er klart, at det målte henfald ikke har eksponentiel karakter i de første 1,5 timer, så der foregår komplicerede ting.

Det næste skærmbillede er af et 12 timers forløb for at se, om det målte henfald ser mere eksponentiel ud i det lange løb (binning her er 5 sekunder).

Af en eller anden grund var dette forløb tættere på det, man kunne forvente: Fra ca. 45 minutter inde i forløbet ser halveringstiden ud til at være ca. 38 minutter. Den falder ned til omkring 35 minutter i timerne derefter, hvilket stadig er betydeligt større end det, man ville forvente af Pb-214 og Bi-214, som har halveringstider på henholdsvis 27 og 20 minutter. Efter 17 timer var aktiviteten stadig ca. 150 cpm eller ca. det dobbelte af baggrundsværdien.

For at hjælpe med at afkode den observerede mærkeligt lange halveringstid blev forsøget gentaget, og ballonen blev anbragt i et NaI-scintillationsspektrometer. Der blev observeret fem meget kraftige gamma-toppe. To af dem blev identificeret som gammaer forbundet med Pb-214 (353 keV) og Bi-214 (609 keV) henfald, begge datterstoffer af radon. På den anden side var der et stærkt peak på 239 keV, som sandsynligvis skyldtes tilstedeværelsen af Pb-212, en datter af thoron. Pb-212 henfalder til Bi-212 ved β-emission (0,346 MeV) og har en halveringstid på 10,6 timer (nærmere oplysninger er anført i demonstrationen af thoronhenfaldet nedenfor). Selv om thoron kun har en halveringstid på 56 sekunder, kommer der tilsyneladende nok ud af jorden til, at dets afkom også opsamles af ballonen. En anden bemærkning: den 727 keV gammastråle, der er forbundet med henfaldet af Bi-212 (halveringstid = 60,6 min), blev ikke observeret. Kun 7% af henfaldet afgiver denne gamma, og derfor var dens signatur for svag til at fremstå i baggrunden.

Opstilling:

Sæt en ballon med en diameter på 12″ op på en sådan måde, at den er relativt langt væk fra alt omkring den, da den let tiltrækkes af alt inden for rækkevidde. Oplad ballonen ved at gnide den med kaninpels og lad den ligge uforstyrret i ca. 30 minutter. Ballonen fjernes derefter fra snoren og tømmes forsigtigt for luft ved at prikke et hul i oppustningsenden. Derefter lægges den fladt ud på bordet, og en Geiger-Mueller-tæller3 placeres ovenpå. Tællerens udgang er forbundet til en iMac via en Vernier LabQuest-grænseflade. Logger Pro-softwaren (radon_daughter.cmbl) viser de indkomne tællinger i forhold til tiden, ligesom en flerkanalsskaler. Den indledende tællerate er overraskende høj – over 460 gange baggrundsraten. Vi tager typisk data i 1 time eller mere. Det er således bedst at oplade ballonen 1/2 time før undervisningen, hvis man ønsker at se et eller to halvliv i henfaldet.

Luftbåren radon udgør i sig selv kun en lille sundhedsfare. Som en inaktiv gas bliver indåndet radon ikke tilbageholdt i nævneværdige mængder af kroppen – det klæber ikke til væggene i luftvejene eller dybt inde i lungerne. Den potentielle sundhedsfare opstår, når radon i luften henfalder og danner ikke-gasformige radioaktive datterstoffer – datterstofferne er reaktive tungmetaller, der hurtigt sætter sig fast på ting i rummet, f.eks. møbler eller, i tilfælde af rumluft, røg, vanddamp eller støv, ofte samlet kaldet aerosoler. I denne form kan disse radioaktive partikler blive trukket ind i luftvejene eller dybt ned i lungerne. I denne situation, når en alfapartikel udsendes inde i lungen, afgiver den al sin energi lokalt inden for en lille tykkelse af det tilstødende væv. En betapartikel, der udsendes, afgiver sin energi over en meget større afstand på ca. 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller og 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 (september 1995). I en tidligere artikel af J.C. Cowie, Jr. og T.A. Walkiewicz, “Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (jan. 1992) blev radioaktiviteten i en håndbold målt, efter at den havde været i spil i 50 minutter.

3. Tælleren er en Radalert Inspector-model fra International Medcom. Den har et relativt stort vindue (1,75″ dia) med en tæthed på 1,5-2,0 mg/cm2, hvilket er ideelt til denne anvendelse. Det dobbelte miniatureudgangsstik driver CMOS- eller TTL-enheder og sender tællinger til computer eller datalogger.

4. Ifølge specifikationsbladet er Inspector kun ca. 36% effektiv til at detektere alfaer, mens den er 65% effektiv til at detektere 1 MeV-betaer (fra Bi-214) og 80% effektiv til at detektere 3 MeV-betaer (fra Pb-214).

5. Se M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) og J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) for yderligere oplysninger..