Demostraciones de conferencias de ciencias naturales de Harvard

Observe el decaimiento de los radionúclidos en el aire con un contador Geiger y un ordenador. (Vale, no es nuevo ya que llevamos 20 años haciendo el experimento… simplemente nos descuidamos en añadirlo a nuestra lista.)

Lo que muestra:

Filtrar las partículas de polvo del aire es un procedimiento estándar para controlar los niveles de radiación. El experimento utiliza un globo cargado para extraer el polvo (y cualquier radionúclido que resida en él) del aire. El nivel de radiación del globo se controla con un contador Geiger y se observa la vida media de los productos de desintegración.

Cómo funciona:

Todos los elementos pesados (Z>83) que se encuentran en la naturaleza son radiactivos y se desintegran por emisión alfa o beta. Además, todos los radionúclidos pesados que se encuentran en la naturaleza pertenecen a una de las tres series: (1) 238U-Radio, (2) 235U-Actinio, y (3) 232Torio. Las tres series contienen un miembro gaseoso (un isótopo del Rn) y terminan en un isótopo estable del Pb.

La serie del radio comienza con el 238U. El uranio y sus cinco primeras hijas son sólidos que permanecen en el suelo, pero la quinta hija 226Ra decae en 222Rn. Esta hija, llamada radón, es un gas noble, no unido químicamente en el material donde residían sus padres. La vida media del 222Rn (3,82 d) es lo suficientemente larga como para que gran parte del gas salga a la atmósfera. El radón también se genera en las otras dos series. Sin embargo, estos isótopos del radón son de menor importancia radiológica. La serie del torio genera 220Rn, que también se llama torón. El 220Rn tiene una vida media de 56 s y, por tanto, tiene muchas más posibilidades de desintegrarse antes de pasar al aire. La serie del actinio produce el 219Rn, también llamado actinón, tras varias transformaciones a partir del relativamente raro nucleido original 235U. Su vida media es de sólo 4 s, y su contribución al radón en el aire es insignificante. Por lo tanto, sólo consideraremos el radón de la serie del radio. La cadena de desintegración del radón es la siguiente:1

La técnica de utilizar un globo para extraer sustancias radiactivas del aire fue señalada por T.A. Walkiewicz.2 Los productos hijos del radón se unen a partículas de aerosol con carga positiva. Estas partículas son fácilmente atraídas por un objeto cargado negativamente (un globo, en este caso), formando así una fuente radiactiva con una vida media compuesta de unos minutos y medio. Siga leyendo para saber por qué afirmamos que la vida media es de ? minutos.

Como no sabemos en qué proporción se han recogido los nucleidos hijos del radón en el globo, no está nada claro qué vida media se ha medido. Sin embargo, podemos deducir lo siguiente. En primer lugar, la vida media del Po-218 es lo suficientemente corta como para que su actividad se reduzca en gran medida después de varios minutos y pueda ser completamente ignorada durante tiempos superiores a ese. Por ejemplo, en 21 minutos (7 vidas medias) la cantidad de Po-218 se habrá reducido a 1/128 de la cantidad original. La vida media efectiva del globo radiactivo se rige entonces principalmente por las actividades de Pb-214 y Bi-214, que tienen vidas medias de 27 y 20 minutos, respectivamente. Si los datos se consideran debidos a una única vida media efectiva, el valor determinado dependerá tanto de las cantidades relativas de estos isótopos que se recogieron en primer lugar, como de su desintegración. Además, aunque el globo emite partículas alfa y rayos gamma, la mayor parte de la actividad detectada por el contador Geiger son partículas beta de Pb-214 y Bi-214. Los rayos gamma tienen una eficiencia de detección mucho menor que las partículas beta para un contador Geiger, y muchas de las partículas alfa del Po-218 son absorbidas por el globo, el aire intermedio y la pared del tubo Geiger. Por lo tanto, es posible que el gráfico de la desintegración radiactiva aumente (el CPM sube) en los primeros 20 minutos más o menos, se nivele y luego disminuya. Este comportamiento aparentemente extraño puede atribuirse al hecho de que el monitor de radiación no es tan sensible a la desintegración del Po-218 pero, a medida que la cantidad de Pb-214 aumenta (debido a la desintegración del Po-218), la tasa de recuento sube porque el monitor es sensible a la desintegración del Pb-214. El «tiempo muerto» del detector no se ha medido y también puede tener un efecto. En conclusión, la medición de la vida media efectiva no es en absoluto una medición «limpia». Dicho esto, la siguiente es una captura de pantalla de una hora y media de funcionamiento real en la sala de conferencias A.

El binning en la escala horizontal es de 3 segundos, por lo que los 1500 recuentos en la escala vertical corresponden a unos sorprendentes 30.000 cnts/min. La tasa de fondo era de unos 65 cnts/min, por lo que la actividad inicial del globo era más de 460 veces la de fondo. La tasa de recuento cayó a la mitad de su valor original después de unos 3000 segundos, o 50 minutos. Claramente, el decaimiento medido no es de carácter exponencial en las primeras 1,5 horas, así que están pasando cosas complicadas.

La siguiente captura de pantalla es de una corrida de 12 horas para ver si el decaimiento medido parece más exponencial a largo plazo (el binning aquí es de 5 segundos).

Por alguna razón esta corrida se acercó más a lo que uno podría esperar: comenzando alrededor de 45 minutos en la corrida, la vida media parece ser de unos 38 minutos. En las horas siguientes baja a unos 35 minutos, lo que sigue siendo significativamente mayor de lo que cabría esperar del Pb-214 y el Bi-214, que tienen vidas medias de 27 y 20 minutos, respectivamente. Después de 17 horas, la actividad seguía siendo de unos 150 cpm, es decir, aproximadamente el doble del fondo.

Para ayudar a descifrar la vida media curiosamente larga observada, se repitió el experimento y se colocó el globo en un espectrómetro de centelleo de NaI. Se observaron cinco picos gamma muy fuertes. Dos de ellos se identificaron como gammas asociados a la desintegración de Pb-214 (353 keV) y Bi-214 (609 keV), ambas hijas del radón. Por otro lado, un fuerte pico de 239 keV se debió probablemente a la presencia de Pb-212, una hija del torón. El Pb-212 decae en Bi-212 por emisión β (0,346 MeV) y tiene una vida media de 10,6 horas (los detalles se dan en la demostración del decaimiento del torón más abajo). Aparentemente, aunque el torón tiene una vida media de sólo 56 segundos, sale lo suficiente del suelo como para que su progenie también sea recogida por el globo. Una nota más, el gamma de 727 keV asociado a la desintegración del Bi-212 (vida media = 60,6 min) no fue observado. Sólo el 7% de las desintegraciones emiten este gamma y, por lo tanto, su firma era demasiado débil para aparecer en el fondo.

Preparación:

Suspender un globo de 12″ de diámetro de forma que esté relativamente alejado de todo lo que le rodea, ya que es fácilmente atraído por cualquier cosa que esté a su alcance. Se carga el globo frotándolo con piel de conejo y se deja sin molestar durante aproximadamente 30 minutos. A continuación, se retira el globo de la cuerda y se desinfla con cuidado perforando un agujero en el extremo de inflado. A continuación se aplana sobre la mesa y se coloca un contador Geiger-Mueller3 encima. La salida del contador se conecta a un iMac mediante una interfaz Vernier LabQuest. El software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) muestra los recuentos entrantes frente al tiempo, de forma muy parecida a un escalador multicanal. La tasa de recuento inicial es sorprendentemente alta: más de 460 veces la tasa de fondo. Normalmente tomamos datos durante una hora o más. Por lo tanto, es mejor cargar el globo 1/2 hora antes de la clase si desea ver una o dos vidas medias en el decaimiento.

El radón en el aire en sí mismo representa poco peligro para la salud. Como gas inerte, el radón inhalado no es retenido en cantidades significativas por el cuerpo: no se adhiere a las paredes del tracto respiratorio ni a las profundidades de los pulmones. El peligro potencial para la salud surge cuando el radón en el aire se descompone, produciendo hijas radiactivas no gaseosas – las hijas son metales pesados reactivos que se adhieren rápidamente a cosas en la habitación como los muebles o, en el caso del aire de la habitación, el humo, el vapor de agua o el polvo, a menudo llamados colectivamente aerosoles. En esta forma, estas partículas radiactivas pueden ser arrastradas a las vías respiratorias o a las profundidades de los pulmones. En esta situación, cuando una partícula alfa se emite dentro del pulmón, deposita toda su energía localmente dentro de un pequeño espesor de tejido adyacente. Una partícula beta emitida deposita su energía a una distancia mucho mayor, de unos 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller y 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). Un artículo anterior de J.C. Cowie, Jr. y T.A. Walkiewicz, «Radioactiveball,» TPT 30, 16-17 (Ene 1992) midió la radiactividad de un balón de balonmano, después de haber estado en juego durante 50 minutos.

3. El contador es el modelo Radalert Inspector fabricado por International Medcom. Tiene una ventana relativamente grande (1,75″ de diámetro) con una densidad de 1,5-2,0 mg/cm2, ideal para esta aplicación. La toma de salida doble en miniatura acciona dispositivos CMOS o TTL, enviando los recuentos al ordenador o al registrador de datos.

4. Según la hoja de especificaciones, el Inspector sólo es eficiente en un 36% en la detección de alfas, mientras que es eficiente en un 65% en la detección de betas de 1 MeV (de Bi-214), y en un 80% en la detección de betas de 3 MeV (de Pb-214).

5. Véase M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) y J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) para más información..