Démonstrations de conférences en sciences naturelles à Harvard

Observez la désintégration des radionucléides présents dans l’air avec un compteur Geiger et un ordinateur. (OK, ce n’est pas nouveau puisque nous faisons l’expérience depuis 20 ans… nous avons juste négligé de l’ajouter à notre liste.)

Ce que ça montre:

Filtrer les particules de poussière de l’air est une procédure standard pour surveiller les niveaux de radiation. L’expérience utilise un ballon chargé pour extraire la poussière (et les radionucléides qui y résident) de l’air. Le niveau de rayonnement du ballon est surveillé par un compteur Geiger et la demi-vie des produits de désintégration est observée.

Comment ça marche :

Tous les éléments lourds (Z>83) trouvés dans la nature sont radioactifs et se désintègrent par émission alpha ou bêta. En outre, tous les radionucléides lourds présents dans la nature appartiennent à l’une des trois séries suivantes : (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium, et (3) 232Thorium. Ces trois séries contiennent un membre gazeux (un isotope de Rn) et se terminent par un isotope stable de Pb.

La série du radium commence avec 238U. L’uranium et ses cinq premières filles sont des solides qui restent dans le sol, mais la cinquième fille 226Ra se désintègre en 222Rn. Cette fille, appelée radon, est un gaz noble, qui n’est pas lié chimiquement au matériau où résidaient ses parents. La demi-vie du 222Rn (3,82 jours) est suffisamment longue pour qu’une grande partie du gaz se retrouve dans l’atmosphère. Le radon est également produit dans les deux autres séries. Cependant, ces isotopes du radon ont une importance radiologique moindre. La série du thorium génère du 220Rn, qui est également appelé thoron. Le 220Rn a une demi-vie de 56 s et a donc beaucoup plus de chances de se désintégrer avant de se retrouver dans l’air. La série de l’actinium produit du 219Rn, également appelé actinon, après plusieurs transformations à partir du nucléide 235U originel relativement rare. Sa demi-vie n’est que de 4 s, et sa contribution au radon atmosphérique est insignifiante. Nous ne considérerons donc que le radon de la série du radium. La chaîne de désintégration du radon est la suivante:1

La technique consistant à utiliser un ballon pour extraire des substances radioactives de l’air a été portée à notre attention par T.A. Walkiewicz.2 Les produits de filiation du radon se fixent sur des particules d’aérosol chargées positivement. Les produits de filiation du radon se fixent sur des particules d’aérosol chargées positivement. Ces particules sont facilement attirées par un objet chargé négativement (un ballon, dans ce cas), constituant ainsi une source radioactive dont la demi-vie du composé est d’environ ? minute. Lisez la suite pour savoir pourquoi nous indiquons que la demi-vie est de ? ? minutes.

Comme nous ne savons pas dans quelle proportion les nucléides filles du radon ont été collectés sur le ballon, il n’est pas du tout clair quelle demi-vie a été mesurée. Cependant, nous pouvons en déduire ce qui suit. Premièrement, la demi-vie du Po-218 est suffisamment courte pour que son activité soit fortement réduite après plusieurs minutes et puisse être complètement ignorée pour des temps plus longs. Par exemple, en 21 minutes (7 demi-vies), la quantité de Po-218 sera tombée à 1/128 de la quantité initiale. La demi-vie effective du ballon radioactif est alors principalement régie par les activités du Pb-214 et du Bi-214, dont les demi-vies sont respectivement de 27 et 20 minutes. Si l’on considère que les données sont dues à une seule demi-vie effective, la valeur déterminée dépendra à la fois des quantités relatives de ces isotopes qui ont été collectées en premier lieu, ainsi que de leur désintégration. En outre, bien que le ballon émette des particules alpha et des rayons gamma, la majorité de l’activité détectée par le compteur Geiger est constituée de particules bêta provenant du Pb-214 et du Bi-214. Les rayons gamma ont une efficacité de détection beaucoup plus faible que les particules bêta pour un compteur Geiger, et de nombreuses particules alpha de Po-218 sont absorbées par le ballon, l’air intermédiaire et la paroi du tube Geiger. Ainsi, vous pouvez constater que le tracé de la désintégration radioactive augmente (le CPM augmente) au cours des 20 premières minutes environ, se stabilise, puis diminue. Ce comportement apparemment étrange peut être attribué au fait que le moniteur de rayonnement n’est pas aussi sensible à la désintégration du Po-218 mais, au fur et à mesure que la quantité de Pb-214 augmente (en raison de la désintégration du Po-218), le taux de comptage augmente car le moniteur est sensible à la désintégration du Pb-214. Le « temps mort » du détecteur n’a pas été mesuré et peut également avoir un effet. En conclusion, la mesure de la demi-vie effective n’est pas du tout une mesure « propre ». Cela dit, voici une capture d’écran d’un passage réel d’une heure et demie dans l’amphithéâtre A.

Le binning sur l’échelle horizontale est de 3 secondes, donc les 1500 comptes sur l’échelle verticale correspondent à un étonnant 30 000 cnts/min. Le taux de fond était d’environ 65 cnts/min, donc l’activité initiale du ballon était plus de 460 fois le fond ! Le taux de comptage a chuté à la moitié de sa valeur initiale après environ 3000 secondes, soit 50 minutes. Il est clair que la décroissance mesurée n’a pas un caractère exponentiel dans les 1,5 premières heures, donc des choses compliquées se passent.

La capture d’écran suivante est celle d’une exécution de 12 heures pour voir si la décroissance mesurée semble plus exponentielle à long terme (le binning ici est de 5 secondes).

Pour une raison quelconque, cette exécution était plus proche de ce à quoi on pourrait s’attendre : à partir d’environ 45 minutes dans l’exécution, la demi-vie semble être d’environ 38 minutes. Elle tombe à environ 35 minutes dans les heures qui suivent, ce qui est encore nettement supérieur à ce que l’on pourrait attendre du Pb-214 et du Bi-214, qui ont des demi-vies de 27 et 20 minutes, respectivement. Après 17 heures, l’activité était encore d’environ 150 cpm, soit environ deux fois le bruit de fond.

Pour aider à déchiffrer la demi-vie curieusement longue observée, l’expérience a été répétée et le ballon a été placé dans un spectromètre à scintillation NaI. Cinq pics gamma très forts ont été observés. Deux d’entre eux ont été identifiés comme des gammas associés à la désintégration du Pb-214 (353 keV) et du Bi-214 (609 keV), tous deux filles du radon. D’autre part, un fort pic de 239 keV était très probablement dû à la présence de Pb-212, une fille du thoron. Le Pb-212 se désintègre en Bi-212 par émission β (0,346 MeV) et a une demi-vie de 10,6 heures (les détails sont donnés dans la démonstration de la désintégration du thoron ci-dessous). Apparemment, même si le thoron a une demi-vie de seulement 56 secondes, une quantité suffisante s’échappe du sol pour que sa descendance soit également collectée par le ballon. Autre remarque, le gamma de 727 keV associé à la désintégration du Bi-212 (demi-vie = 60,6 min) n’a pas été observé. Seulement 7% des désintégrations dégagent ce gamma et par conséquent sa signature était trop faible pour apparaître en arrière-plan.

Mise en place:

Suspendez un ballon de 12″ de diamètre de manière à ce qu’il soit relativement éloigné de tout ce qui l’entoure, car il est facilement attiré par tout ce qui est à portée de main. Chargez le ballon en le frottant avec de la fourrure de lapin et laissez-le sans le déranger pendant environ 30 minutes. Le ballon est ensuite retiré de la ficelle et soigneusement dégonflé en perçant un trou dans l’extrémité de gonflage. Il est ensuite aplati sur la table et un compteur Geiger-Mueller3 est placé dessus. La sortie du compteur est connectée à un iMac via une interface LabQuest de Vernier. Le logiciel Logger Pro (radon_daughter.cmbl) affiche les comptages entrants en fonction du temps, un peu comme un mesureur multicanaux. Le taux de comptage initial est étonnamment élevé – plus de 460 fois le taux de fond. Nous prenons généralement des données pendant une heure ou plus. Ainsi, il est préférable de charger le ballon 1/2 heure avant le cours si vous souhaitez voir une ou deux demi-vies dans la désintégration.

Le radon en suspension dans l’air présente lui-même peu de risques pour la santé. En tant que gaz inerte, le radon inhalé n’est pas retenu en quantités significatives par le corps – il ne se colle pas aux parois des voies respiratoires ou en profondeur dans les poumons. Le risque potentiel pour la santé survient lorsque le radon présent dans l’air se désintègre, produisant des produits de filiation radioactifs non gazeux – les produits de filiation sont des métaux lourds réactifs qui se fixent rapidement aux objets présents dans la pièce, tels que les meubles ou, dans le cas de l’air ambiant, la fumée, la vapeur d’eau ou la poussière, souvent appelés collectivement aérosols. Sous cette forme, ces particules radioactives peuvent être aspirées dans les voies respiratoires ou profondément dans les poumons. Dans cette situation, lorsqu’une particule alpha est émise à l’intérieur du poumon, elle dépose toute son énergie localement dans une petite épaisseur de tissu adjacent. Une particule bêta émise dépose son énergie sur une distance beaucoup plus grande d’environ 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller et 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 article antérieur de J.C. Cowie, Jr. et T.A. Walkiewicz, « Radioactiveball, » TPT 30, 16-17 (Jan 1992) a mesuré la radioactivité d’un ballon de handball, après qu’il ait été en jeu pendant 50 minutes.

3. Le compteur est le modèle Radalert Inspector fabriqué par International Medcom. Il possède une fenêtre relativement grande (1,75″ dia) avec une densité de 1,5-2,0 mg/cm2, idéale pour cette application. La double prise de sortie miniature pilote des dispositifs CMOS ou TTL, envoyant les comptages à l’ordinateur ou à l’enregistreur de données.

4. Selon la fiche technique, l’Inspector n’est efficace qu’à environ 36% pour détecter les alphas alors qu’il est efficace à 65% pour détecter les bêtas de 1 MeV (du Bi-214), et à 80% pour détecter les bêtas de 3 MeV (du Pb-214).

5. Voir M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) et J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) pour plus d’informations..