Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Beobachten Sie den Zerfall von Radionukliden in der Luft mit einem Geigerzähler und einem Computer. (OK, das ist nicht neu, denn wir machen das Experiment schon seit 20 Jahren… wir haben es nur versäumt, es in unsere Liste aufzunehmen.)

Was es zeigt:

Staubpartikel aus der Luft zu filtern ist ein Standardverfahren zur Überwachung von Strahlungswerten. Bei dem Experiment wird ein geladener Ballon verwendet, um den Staub (und die darauf befindlichen Radionuklide) aus der Luft zu entfernen. Das Strahlungsniveau des Ballons wird mit einem Geigerzähler überwacht und die Halbwertszeit der Zerfallsprodukte beobachtet.

So funktioniert es:

Alle in der Natur vorkommenden schweren Elemente (Z>83) sind radioaktiv und zerfallen durch Alpha- oder Betastrahlung. Außerdem gehören alle natürlich vorkommenden schweren Radionuklide zu einer von drei Serien: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium, und (3) 232Thorium. Alle drei Serien enthalten ein gasförmiges Mitglied (ein Rn-Isotop) und enden mit einem stabilen Pb-Isotop.

Die Radium-Serie beginnt mit 238U. Uran und seine ersten fünf Töchter sind feste Stoffe, die im Boden verbleiben, aber die fünfte Tochter 226Ra zerfällt in 222Rn. Diese Tochter, Radon genannt, ist ein Edelgas, das nicht chemisch in dem Material gebunden ist, in dem sich seine Eltern befanden. Die Halbwertszeit von 222Rn (3,82 d) ist lang genug, um einen Großteil des Gases in die Atmosphäre zu leiten. Radon wird auch in den beiden anderen Serien erzeugt. Diese Isotope des Radons sind jedoch von geringerer radiologischer Bedeutung. Die Thoriumreihe erzeugt 220Rn, das auch als Thoron bezeichnet wird. 220Rn hat eine Halbwertszeit von 56 s und hat daher eine viel größere Chance zu zerfallen, bevor es in die Luft gelangt. Die Actinium-Reihe erzeugt 219Rn, auch Actinon genannt, nach mehreren Umwandlungen aus dem relativ seltenen ursprünglichen Nuklid 235U. Seine Halbwertszeit beträgt nur 4 s, und sein Beitrag zum Radon in der Luft ist unbedeutend. Wir werden daher nur Radon aus der Radiumreihe betrachten. Die Zerfallskette von Radon sieht wie folgt aus:1

Die Technik, radioaktive Stoffe mit Hilfe eines Ballons aus der Luft zu extrahieren, wurde uns von T.A. Walkiewicz bekannt gemacht.2 Die Tochterprodukte von Radon werden an positiv geladene Aerosolteilchen gebunden. Diese Teilchen werden leicht von einem negativ geladenen Objekt (in diesem Fall einem Ballon) angezogen und bilden so eine radioaktive Quelle mit einer Halbwertszeit von etwa ?? Minuten. Lesen Sie weiter, um zu erfahren, warum wir die Halbwertszeit mit ?? Minuten angeben.

Da wir nicht wissen, in welchem Verhältnis die Tochternuklide des Radons auf dem Ballon gesammelt wurden, ist es überhaupt nicht klar, welche Halbwertszeit gemessen wurde. Wir können jedoch folgende Schlüsse ziehen. Erstens ist die Halbwertszeit von Po-218 so kurz, dass seine Aktivität nach einigen Minuten stark abnimmt und für längere Zeiträume völlig vernachlässigt werden kann. In 21 Minuten (7 Halbwertszeiten) ist die Menge an Po-218 zum Beispiel auf 1/128 der ursprünglichen Menge gesunken. Die effektive Halbwertszeit des radioaktiven Ballons wird dann hauptsächlich durch die Aktivitäten von Pb-214 und Bi-214 bestimmt, die Halbwertszeiten von 27 bzw. 20 Minuten haben. Wenn die Daten auf eine einzige effektive Halbwertszeit zurückgeführt werden, hängt der ermittelte Wert sowohl von den relativen Mengen dieser Isotope ab, die ursprünglich gesammelt wurden, als auch von ihrem Zerfall. Obwohl der Ballon Alphateilchen und Gammastrahlen aussendet, besteht der Großteil der vom Geigerzähler erfassten Aktivität aus Betateilchen von Pb-214 und Bi-214. Gammastrahlen haben für einen Geigerzähler eine viel geringere Nachweisleistung als Betateilchen, und viele der Alphateilchen von Po-218 werden vom Ballon, der dazwischenliegenden Luft und der Geigerrohrwand absorbiert. Daher kann es vorkommen, dass die Kurve des radioaktiven Zerfalls in den ersten 20 Minuten ansteigt (CPM steigt an), sich dann abflacht und dann wieder abnimmt. Dieses scheinbar merkwürdige Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass der Strahlungsmonitor nicht so empfindlich auf den Po-218-Zerfall reagiert, aber mit zunehmender Menge an Pb-214 (aufgrund des Po-218-Zerfalls) steigt die Zählrate, da der Monitor auf den Pb-214-Zerfall empfindlich reagiert. Die „Totzeit“ des Detektors wurde nicht gemessen und könnte ebenfalls einen Einfluss haben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Messung der effektiven Halbwertszeit keineswegs eine „saubere“ Messung ist. Nachfolgend ein Screenshot eines 1,5-stündigen Durchlaufs im Hörsaal A.

Das Binning auf der horizontalen Skala beträgt 3 Sekunden, so dass die 1500 Zählungen auf der vertikalen Skala erstaunlichen 30.000 cnts/min entsprechen. Die Hintergrundrate betrug etwa 65 cnts/min, so dass die anfängliche Ballonaktivität mehr als das 460fache der Hintergrundrate betrug! Die Zählrate fiel nach etwa 3000 Sekunden oder 50 Minuten auf die Hälfte ihres ursprünglichen Wertes. Es ist klar, dass der gemessene Zerfall in den ersten 1,5 Stunden keinen exponentiellen Charakter hat, es gehen also komplizierte Dinge vor sich.

Der nächste Screenshot zeigt einen 12-Stunden-Lauf, um zu sehen, ob der gemessene Zerfall langfristig exponentieller aussieht (das Binning beträgt hier 5 Sekunden).

Aus irgendeinem Grund war dieser Lauf näher an dem, was man erwarten könnte: ab etwa 45 Minuten nach Beginn des Laufs scheint die Halbwertszeit etwa 38 Minuten zu betragen. In den darauffolgenden Stunden sinkt sie auf etwa 35 Minuten, was immer noch deutlich über dem liegt, was man von Pb-214 und Bi-214 erwarten würde, die Halbwertszeiten von 27 bzw. 20 Minuten haben. Nach 17 Stunden betrug die Aktivität immer noch etwa 150 cpm, also etwa das Doppelte der Hintergrundaktivität.

Um die seltsam lange Halbwertszeit zu entschlüsseln, wurde das Experiment wiederholt und der Ballon in ein NaI-Szintillationsspektrometer eingesetzt. Es wurden fünf sehr starke Gamma-Peaks beobachtet. Zwei davon wurden als Gammastrahlen identifiziert, die mit dem Zerfall von Pb-214 (353 keV) und Bi-214 (609 keV), beides Töchter des Radons, verbunden sind. Ein starker 239 keV-Peak hingegen war höchstwahrscheinlich auf das Vorhandensein von Pb-212, einer Tochter von Thoron, zurückzuführen. Pb-212 zerfällt durch β-Emission (0,346 MeV) in Bi-212 und hat eine Halbwertszeit von 10,6 Stunden (Einzelheiten sind in der Demonstration des Thoron-Zerfalls weiter unten aufgeführt). Obwohl Thoron eine Halbwertszeit von nur 56 Sekunden hat, wird offenbar genug aus dem Boden herausgeholt, so dass seine Nachkommenschaft ebenfalls vom Ballon aufgefangen wird. Ein weiterer Hinweis: Die 727 keV Gammastrahlung, die mit dem Zerfall von Bi-212 (Halbwertszeit = 60,6 min) verbunden ist, wurde nicht beobachtet. Nur 7 % der Zerfälle geben diese Gammastrahlung ab, und daher war ihre Signatur zu schwach, um im Hintergrund zu erscheinen.

Aufbau:

Hängen Sie einen Ballon mit einem Durchmesser von 12″ so auf, dass er relativ weit von allem entfernt ist, was ihn umgibt, da er leicht von allem angezogen wird, was in Reichweite ist. Lade den Ballon auf, indem du ihn mit einem Kaninchenfell abreibst, und lasse ihn etwa 30 Minuten lang ungestört. Der Ballon wird dann von der Schnur gelöst und vorsichtig entleert, indem man ein Loch in das aufgeblasene Ende sticht. Anschließend wird er auf dem Tisch flachgedrückt und ein Geiger-Müller-Zähler3 darauf platziert. Der Ausgang des Zählers ist über eine Vernier LabQuest-Schnittstelle mit einem iMac verbunden. Die Software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) zeigt die eingehenden Zählungen in Abhängigkeit von der Zeit an, ähnlich wie ein Mehrkanalscaler. Die anfängliche Zählrate ist überraschend hoch – über 460 Mal so hoch wie die Hintergrundrate. In der Regel nehmen wir Daten für 1 Stunde oder länger auf. Daher ist es am besten, den Ballon eine halbe Stunde vor dem Unterricht aufzuladen, wenn Sie eine oder zwei Halbwertszeiten im Zerfall sehen möchten.

Das Radon in der Luft selbst stellt nur eine geringe Gesundheitsgefahr dar. Als inertes Gas wird eingeatmetes Radon nicht in nennenswerten Mengen vom Körper zurückgehalten – es haftet nicht an den Wänden der Atemwege oder tief in der Lunge. Die potenzielle Gesundheitsgefahr entsteht, wenn Radon in der Luft zerfällt und dabei nicht gasförmige radioaktive Töchter produziert – die Töchter sind reaktive Schwermetalle, die sich schnell an Gegenstände im Raum anlagern, wie z. B. an Möbel oder, im Falle von Raumluft, an Rauch, Wasserdampf oder Staub, die oft als Aerosole bezeichnet werden. In dieser Form können diese radioaktiven Teilchen in die Atemwege oder tief in die Lunge gelangen. Wenn ein Alphateilchen in der Lunge emittiert wird, gibt es seine gesamte Energie lokal in einer geringen Dicke des angrenzenden Gewebes ab. Ein emittiertes Betateilchen gibt seine Energie über eine viel größere Entfernung von etwa 4 mm ab.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller und 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 (Sept 1995). In einem früheren Artikel von J.C. Cowie, Jr. und T.A. Walkiewicz, „Radioactiveball“, TPT 30, 16-17 (Jan 1992) wurde die Radioaktivität eines Handballs gemessen, nachdem dieser 50 Minuten lang im Spiel gewesen war.

3. Der Zähler ist das Modell Radalert Inspector von International Medcom. Er hat ein relativ großes Fenster (1,75″ Durchmesser) mit einer Dichte von 1,5-2,0 mg/cm2, ideal für diese Anwendung. Die duale Miniatur-Ausgangsbuchse steuert CMOS- oder TTL-Geräte und sendet die Zählungen an einen Computer oder Datenlogger.

4. Laut Datenblatt ist der Inspector nur etwa 36% effizient bei der Erkennung von Alphas, während er 65% effizient bei der Erkennung von 1 MeV-Betas (von Bi-214) und 80% effizient bei der Erkennung von 3 MeV-Betas (von Pb-214) ist.

5. Siehe M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) und J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) für weitere Informationen..