Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Observe a decadência dos radionuclídeos transportados pelo ar com um contador Geiger e um computador. (OK, não é novidade desde que fazemos o experimento há 20 anos…apenas negligenciamos adicioná-lo à nossa lista.)

O que mostra:

Filtrar partículas de poeira do ar é um procedimento padrão para monitorar os níveis de radiação. A experiência usa um balão carregado para extrair a poeira (e quaisquer radionuclídeos que residam nele) do ar. O nível de radiação do balão é monitorado por um contador Geiger e a meia-vida dos produtos em decomposição é observada.

Como funciona:

Todos os elementos pesados (Z>83) encontrados na natureza são radioativos e decaídos por emissão alfa ou beta. Além disso, todos os radionuclídeos pesados que ocorrem naturalmente pertencem a uma das três séries: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium, e (3) 232Thorium. Todas as três séries contêm um membro gasoso (um isótopo de Rn) e terminam em um isótopo estável de Pb.

A série de rádios começa com 238U. O urânio e suas cinco primeiras filhas são sólidos que permanecem no solo, mas a quinta filha 226Ra se decompõe em 222Rn. Esta filha, chamada radônio, é um gás nobre, não ligado quimicamente no material onde seus pais residiam. A meia-vida do 222Rn (3,82 d) é suficientemente longa para que grande parte do gás se desprenda para a atmosfera. O rádon também é gerado nas outras duas séries. No entanto, estes isótopos de rádon são de menor importância radiológica. A série do tório gera 220Rn, que também é chamado de thoron. O 220Rn tem uma meia-vida de 56 s e, portanto, tem uma chance muito maior de se decompor antes de ser transportado pelo ar. A série actinium produz 219Rn, também chamada de actinon, após várias transformações do relativamente raro nuclídeo original 235U. Sua meia-vida é de apenas 4 s, e sua contribuição para o rádon aerotransportado é insignificante. Assim, vamos considerar apenas o rádon da série de rádios. A cadeia de decomposição do rádon é a seguinte:1

A técnica de usar um balão para extrair substâncias radioativas do ar foi trazida à nossa atenção por T.A. Walkiewicz.2 Os produtos filhas do rádon tornam-se presos a partículas de aerossol com carga positiva. Estas partículas são prontamente atraídas por um objecto com carga negativa (um balão, neste caso), construindo assim uma fonte radioactiva com uma meia-vida composta de cerca de ?? minutos. Continue lendo para saber porque declaramos a meia-vida como ?? minutos.

Desde que não sabemos em que proporção os nuclídeos filhos do rádon foram recolhidos no balão, não é de todo claro qual a meia-vida que foi medida. No entanto, podemos inferir o seguinte. Primeiro, a meia-vida do Po-218 é suficientemente curta para que a sua actividade seja bastante reduzida após vários minutos e possa ser completamente ignorada por vezes mais do que isso. Por exemplo, em 21 minutos (7 meia-vida), a quantidade de Po-218 terá caído para 1/128 da quantidade original. A meia-vida efetiva do balão radioativo é então regida principalmente pelas atividades do Pb-214 e do Bi-214, que têm meia-vida de 27 e 20 minutos, respectivamente. Se os dados forem chimarrados como devido a uma única meia-vida efetiva, o valor determinado dependerá tanto das quantidades relativas desses isótopos que foram coletadas em primeiro lugar, quanto de sua decadência. Além disso, embora o balão emita partículas alfa e raios gama, a maior parte da actividade detectada pelo contador Geiger são partículas beta de Pb-214 e Bi-214. Os raios gama têm uma eficiência de detecção muito menor do que as partículas beta para um contador Geiger, e muitas das partículas alfa de Po-218 são absorvidas pelo balão, pelo ar que intervém e pela parede do tubo Geiger. Assim, você pode descobrir que a trama da decadência radioativa realmente aumenta (CPM sobe) nos primeiros 20 minutos ou mais, se desnivela, e depois diminui. Este comportamento aparentemente estranho pode ser atribuído ao fato de que o monitor de radiação não é tão sensível à decadência do Pb-218 mas, como a quantidade de Pb-214 se acumula (devido à decadência do Pb-218), a taxa de contagem sobe porque o monitor é sensível à decadência do Pb-214. O detector “tempo morto” não foi medido e também pode ter um efeito. Em conclusão, a medição eficaz da meia-vida não é de todo uma medição “limpa”. Dito isto, o seguinte é uma captura de tela de uma corrida real de 1,5 hora na sala de aula A.

>

O encanoamento na escala horizontal é de 3 segundos, de modo que a contagem de 1500 na escala vertical corresponde a um espantoso 30.000 cnts/min. A taxa de fundo era de cerca de 65 cnts/min, portanto a atividade inicial do balão foi mais de 460 vezes o fundo! A taxa de contagem caiu para 1/2 do seu valor original após cerca de 3000 segundos, ou 50 minutos. Claramente, o decaimento medido não é exponencial em caráter nas primeiras 1,5 horas, então coisas complicadas estão acontecendo.

A próxima captura de tela é de uma corrida de 12 horas para ver se o decaimento medido parece mais exponencial no longo prazo (o decaimento aqui é de 5 segundos).

Por alguma razão esta corrida estava mais próxima do que se poderia esperar: começando por volta de 45 minutos na corrida, a meia-vida parece ser de cerca de 38 minutos. Ela cai para cerca de 35 minutos nas horas seguintes, o que ainda é significativamente maior do que se esperaria de Pb-214 e Bi-214, que têm meia-vida de 27 e 20 minutos, respectivamente. Após 17 horas, a atividade ainda era de cerca de 150 cpm, ou cerca de duas vezes de fundo.

Para ajudar a decifrar a curiosamente longa meia-vida observada, a experiência foi repetida e o balão foi colocado em um espectrômetro de cintilação NaI. Foram observados cinco picos gamma muito fortes. Dois deles foram identificados como gammas associados à decadência Pb-214 (353 keV) e Bi-214 (609 keV), ambas filhas do rádon. Por outro lado, um forte pico de 239 keV foi muito provavelmente devido à presença de Pb-212, uma filha de thoron. Pb-212 decai em Bi-212 por emissão de β (0,346 MeV) e tem uma meia-vida de 10,6 hr (detalhes são dados na demonstração da decadência de Thoron abaixo). Aparentemente, mesmo que o thoron tenha uma meia-vida de apenas 56 segundos, o suficiente está saindo do solo para que a sua prole também seja recolhida pelo balão. Uma nota adicional, a gama de 727 keV associada à decadência do Bi-212 (meia-vida = 60,6 min) não foi observada. Apenas 7% das decadências libertam esta gama e consequentemente a sua assinatura era demasiado fraca para aparecer no fundo.

Configurar:

Suspender um balão de 12″ de tal forma que fique relativamente longe de tudo à sua volta, uma vez que é facilmente atraído por qualquer coisa ao seu alcance. Carregue o balão esfregando-o com pêlo de coelho e deixe-o sem ser perturbado por aproximadamente 30 minutos. O balão é então removido do cordão e cuidadosamente esvaziado, perfurando um buraco na extremidade da inflação. Em seguida é achatado sobre a mesa e um contador Geiger-Mueller3 colocado no topo. A saída do contador é ligada a um iMac através de uma interface Vernier LabQuest. O software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) mostra as contagens de entrada vs tempo, muito parecido com um escalador multi-canal. A taxa inicial de contagem é surpreendentemente alta – mais de 460 vezes a taxa de fundo. Normalmente tomamos os dados por 1 hora ou mais. Assim, é melhor carregar o balão 1/2 hora antes da aula se você quiser ver uma ou duas meias vidas na decadência.

Airborne radon em si representa pouco risco à saúde. Como um gás inerte, o rádon inalado não é retido em quantidades significativas pelo corpo – não adere às paredes das vias respiratórias ou às profundezas dos pulmões. O risco potencial para a saúde surge quando o rádon no ar se decompõe, produzindo filhas não gasosas radioativas – as filhas são metais pesados reativos que rapidamente se apegam a coisas no ambiente, como móveis ou, no caso do ar ambiente, fumaça, vapor de água ou poeira, muitas vezes chamados coletivamente de aerossóis. Nessa forma, essas partículas radioativas podem ser arrastadas para as vias respiratórias ou profundamente para os pulmões. Nesta situação, quando uma partícula alfa é emitida dentro do pulmão, ela deposita toda a sua energia localmente dentro de uma pequena espessura de tecido adjacente. Uma partícula beta emitida deposita sua energia em uma distância muito maior de cerca de 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller e F. Feiner, Carta dos Núcleos, (General Electric Co., San Jose CA, 1984).

2. T.A. Walkiewicz, “The Hot Balloon (Not Air),” The Phys Teacher 33, 344-345 (Sept 1995). Um artigo anterior de J.C. Cowie, Jr. e T.A. Walkiewicz, “Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (Jan 1992) mediu a radioactividade de um andebol, depois de ter estado em jogo durante 50 minutos.

3. O contador é o modelo Radalert Inspector feito pela International Medcom. Possui uma janela relativamente grande (1,75″ dia) com uma densidade de 1,5-2,0 mg/cm2, ideal para esta aplicação. O conector de saída dupla em miniatura conduz os dispositivos CMOS ou TTL, enviando as contagens para o computador ou data logger.

4. De acordo com a folha de especificações, o Inspector é apenas cerca de 36% eficiente na detecção de alfas enquanto que é 65% eficiente na detecção dos betas 1 MeV (de Bi-214), e 80% eficiente na detecção dos betas 3 MeV (de Pb-214).

5. Veja M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) e J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) para mais informações..