Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Katsele ilmassa olevien radionuklidien hajoamista Geiger-laskurin ja tietokoneen avulla. (Okei, se ei ole uutta, sillä olemme tehneet koetta jo 20 vuotta… olemme vain laiminlyöneet sen lisäämisen luetteloon.)

Mitä se näyttää:

Pölyhiukkasten suodattaminen ilmasta on tavanomainen menettely säteilytasojen seurannassa. Kokeessa käytetään varattua ilmapalloa, jolla pöly (ja siinä mahdollisesti olevat radionuklidit) poistetaan ilmasta. Ilmapallon säteilytasoa seurataan Geiger-laskurilla ja hajoamistuotteiden puoliintumisaikaa tarkkaillaan.

Miten se toimii:

Kaikki luonnossa esiintyvät raskaat alkuaineet (Z>83) ovat radioaktiivisia ja hajoavat alfa- tai beetasäteilyn avulla. Lisäksi kaikki luonnossa esiintyvät raskaat radionuklidit kuuluvat yhteen kolmesta sarjasta: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium ja (3) 232Torium. Kaikki kolme sarjaa sisältävät yhden kaasumaisen jäsenen (Rn-isotooppi) ja päättyvät stabiiliin Pb-isotooppiin.

Radiumsarja alkaa 238U:lla. Uraani ja sen viisi ensimmäistä tytärtä ovat kiinteitä aineita, jotka jäävät maaperään, mutta viides tytär 226Ra hajoaa 222Rn:ksi. Tämä tytär, jota kutsutaan radoniksi, on jalokaasu, joka ei sitoudu kemiallisesti materiaaliin, jossa sen vanhemmat olivat. 222Rn:n puoliintumisaika (3,82 d) on riittävän pitkä, jotta suuri osa kaasusta pääsee ilmakehään. Radonia syntyy myös kahdessa muussa sarjassa. Näiden radonin isotooppien radiologinen merkitys on kuitenkin vähäisempi. Toriumsarjassa syntyy 220Rn, jota kutsutaan myös toroniksi. 220Rn:n puoliintumisaika on 56 s, joten sillä on paljon suurempi mahdollisuus hajota ennen kuin se pääsee ilmaan. Aktiniumsarja tuottaa 219Rn:ää, jota kutsutaan myös aktinoniksi, useiden muunnosten jälkeen suhteellisen harvinaisesta alkuperäisestä 235U-nuklidista. Sen puoliintumisaika on vain 4 s, ja sen osuus ilmassa olevasta radonista on vähäinen. Näin ollen tarkastelemme ainoastaan radon-sarjan radonia. Radonin hajoamisketju on seuraava:1

Tekniikan, jossa radioaktiivisia aineita otetaan ilmasta ilmapallon avulla, toi tietoisuuteemme T.A. Walkiewicz.2 Radonin tytärvalmisteet kiinnittyvät positiivisesti varautuneisiin aerosolihiukkasiin. Nämä hiukkaset vetävät helposti puoleensa negatiivisesti varautunutta esinettä (tässä tapauksessa ilmapalloa) ja muodostavat näin radioaktiivisen lähteen, jonka yhdisteen puoliintumisaika on noin puoli minuuttia. Lue lisää saadaksesi tietää, miksi ilmoitamme puoliintumisajan puoliintumisajaksi ?? minuuttia.

Koska emme tiedä, missä suhteessa radonin tytärnuklidit ovat kerääntyneet ilmapalloon, ei ole lainkaan selvää, mikä puoliintumisaika on mitattu. Voimme kuitenkin päätellä seuraavaa. Ensinnäkin Po-218:n puoliintumisaika on sen verran lyhyt, että sen aktiivisuus vähenee huomattavasti useiden minuuttien kuluttua, ja se voidaan jättää kokonaan huomiotta tätä pidempinä aikoina. Esimerkiksi 21 minuutissa (7 puoliintumisaikaa) Po-218:n määrä on laskenut 1/128:aan alkuperäisestä määrästä. Radioaktiivisen pallon tehollinen puoliintumisaika määräytyy tällöin pääasiassa Pb-214:n ja Bi-214:n aktiivisuuden mukaan, joiden puoliintumisajat ovat 27 ja 20 minuuttia. Jos tietojen katsotaan johtuvan yhdestä ainoasta tehokkaasta puoliintumisajasta, määritetty arvo riippuu sekä näiden isotooppien suhteellisista määristä, jotka kerättiin alun perin, että niiden hajoamisesta. Lisäksi vaikka ilmapallo lähettää alfahiukkasia ja gammasäteitä, suurin osa Geiger-laskurin havaitsemasta aktiivisuudesta on Pb-214:n ja Bi-214:n beetahiukkasia. Gammasäteilyn havaitsemistehokkuus Geiger-laskurilla on paljon alhaisempi kuin beetahiukkasten, ja monet Po-218:sta peräisin olevista alfahiukkasista absorboituvat ilmapalloon, ilmaan ja Geiger-putken seinämään. Näin ollen saatat huomata, että radioaktiivisen hajoamisen kuvaaja itse asiassa nousee (CPM nousee) noin 20 ensimmäisen minuutin aikana, tasaantuu ja sitten laskee. Tämä näennäisen outo käyttäytyminen johtuu siitä, että säteilymittari ei ole yhtä herkkä Po-218:n hajoamiselle, mutta kun Pb-214:n määrä kasvaa (Po-218:n hajoamisen vuoksi), laskentanopeus nousee, koska mittari on herkkä Pb-214:n hajoamiselle. Ilmaisimen ”kuollutta aikaa” ei ole mitattu, mutta sillä voi myös olla vaikutusta. Yhteenvetona voidaan todeta, että efektiivisen puoliintumisajan mittaus ei ole lainkaan ”puhdas” mittaus. Tästä huolimatta seuraavassa on kuvakaappaus todellisesta 1,5 tunnin mittauksesta luentosalissa A.

Vaakasuuntaisen asteikon binning on 3 sekuntia, joten pystysuuntaisella asteikolla näkyvät 1500 laskentaa vastaavat hämmästyttävää 30 000 laskentaa minuutissa. Taustanopeus oli noin 65 cnts/min, joten pallon alkuperäinen aktiivisuus oli yli 460-kertainen taustaan verrattuna! Laskentanopeus laski puoleen alkuperäisestä arvosta noin 3000 sekunnin eli 50 minuutin kuluttua. On selvää, että mitattu hajoaminen ei ole luonteeltaan eksponentiaalista ensimmäisten 1,5 tunnin aikana, joten monimutkaisista asioista on kyse.

Seuraava ruutukaappaus on 12 tunnin ajosta, jotta nähdään, näyttääkö mitattu hajoaminen eksponentiaalisemmalta pitkässä juoksussa (tässä binointi on 5 sekuntia).

Jostain syystä tämä ajo oli lähempänä sitä, mitä voisi olettaa olevan odotettavissa: puoliintumisaika näyttäisi alkavan suunnilleen 45 minuutin juoksusta alkaen olevan noin 38 minuuttia. Se laskee noin 35 minuuttiin sen jälkeisten tuntien aikana, mikä on edelleen huomattavasti enemmän kuin mitä voisi odottaa Pb-214:ltä ja Bi-214:ltä, joiden puoliintumisajat ovat vastaavasti 27 ja 20 minuuttia. Vielä 17 tunnin kuluttua aktiivisuus oli noin 150 cpm eli noin kaksinkertainen tausta-arvoon nähden.

Havaitun kummallisen pitkän puoliintumisajan selvittämiseksi koe toistettiin ja ilmapallo asetettiin NaI-tuikutusspektrometriin. Havaittiin viisi erittäin voimakasta gammapiikkiä. Kaksi niistä tunnistettiin Pb-214:n (353 keV) ja Bi-214:n (609 keV) hajoamiseen liittyviksi gammoiksi, jotka molemmat ovat radonin tyttäriä. Toisaalta voimakas 239 keV:n huippu johtui todennäköisesti Pb-212:sta, joka on toronin tytär. Pb-212 hajoaa Bi-212:ksi β-emissiolla (0,346 MeV), ja sen puoliintumisaika on 10,6 tuntia (yksityiskohdat esitetään jäljempänä olevassa thoronin hajoamista koskevassa esityksessä). Ilmeisesti, vaikka toronin puoliintumisaika on vain 56 sekuntia, maasta pääsee ulos niin paljon, että ilmapallo kerää myös sen jälkeläisiä. Vielä yksi huomautus: Bi-212:n (puoliintumisaika = 60,6 min) hajoamiseen liittyvää 727 keV:n gammavirtaa ei havaittu. Vain 7 % hajoamisista tuottaa tätä gammaa ja näin ollen sen allekirjoitus oli liian heikko näkyäkseen taustalla.

Asettaminen:

Ripustetaan halkaisijaltaan 12 tuuman ilmapallo niin, että se on suhteellisen kaukana kaikesta ympärillä olevasta, sillä se vetää helposti puoleensa kaikkea, mikä on sen ulottuvilla. Lataa ilmapallo hieromalla sitä jäniksen turkilla ja jätä se rauhaan noin 30 minuutiksi. Tämän jälkeen ilmapallo irrotetaan narusta ja tyhjennetään varovasti puhkaisemalla puhalluspäähän reikä. Sen jälkeen se litistetään pöydälle ja sen päälle asetetaan Geiger-Müller-laskuri3. Laskurin ulostulo liitetään iMac-tietokoneeseen Vernier LabQuest -liitännän kautta. Logger Pro -ohjelmisto (radon_daughter.cmbl) näyttää saapuvat lukemat ajan funktiona, aivan kuten monikanavainen mittari. Alkuperäinen laskentanopeus on yllättävän korkea – yli 460 kertaa suurempi kuin taustanopeus. Tyypillisesti otamme tietoja vähintään 1 tunnin ajan. Näin ollen on parasta ladata ilmapallo 1/2 tuntia ennen oppituntia, jos haluat nähdä yhden tai kaksi puoliintumisaikaa hajoamisessa.

Lentoradon itsessään aiheuttaa vain vähän vaaraa terveydelle. Inerttinä kaasuna hengitetty radon ei pidättäydy merkittäviä määriä elimistössä – se ei tartu hengitysteiden seinämiin eikä syvälle keuhkoihin. Mahdollinen terveysvaara syntyy, kun ilmassa oleva radon hajoaa ja tuottaa muita kuin kaasumaisia radioaktiivisia tyttäriä – tyttäret ovat reaktiivisia raskasmetalleja, jotka kiinnittyvät nopeasti huoneessa oleviin esineisiin, kuten huonekaluihin, tai huoneilman tapauksessa savuun, vesihöyryyn tai pölyyn, joita usein kutsutaan yhdessä aerosoleiksi. Tässä muodossa nämä radioaktiiviset hiukkaset voivat imeytyä hengitysteihin tai syvälle keuhkoihin. Tässä tilanteessa, kun alfahiukkanen emittoituu keuhkojen sisällä, sen koko energia tallentuu paikallisesti pieneen paksuuteen viereistä kudosta. Päästetty beetahiukkanen tallettaa energiansa paljon laajemmalle, noin 4 mm:n matkalle.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller ja 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 (syyskuu 1995). J.C. Cowie, Jr:n ja T.A. Walkiewiczin aikaisemmassa artikkelissa ”Radioactiveball”, TPT 30, 16-17 (Jan 1992) mitattiin käsipallon radioaktiivisuutta, kun se oli ollut pelissä 50 minuuttia.

3. Laskuri on International Medcomin valmistama Radalert Inspector -malli. Siinä on suhteellisen suuri ikkuna (1,75 tuuman läpimitta) ja tiheys 1,5-2,0 mg/cm2, mikä on ihanteellinen tähän sovellukseen. Kaksoismiinilähtöliitäntä ohjaa CMOS- tai TTL-laitteita, jotka lähettävät lukemat tietokoneeseen tai dataloggeriin.

4. Teknisten tietojen mukaan Inspector on vain noin 36 % tehokas alfojen havaitsemisessa, kun taas 1 MeV:n beeta-arvojen (Bi-214:stä) havaitsemisessa se on 65 % tehokas ja 3 MeV:n beeta-arvojen (Pb-214:stä) havaitsemisessa 80 % tehokas.

5. Katso lisätietoja M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) ja J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995).