Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Nézze meg a levegőben lévő radionuklidok bomlását Geiger-számlálóval és számítógéppel. (Oké, ez nem új, hiszen már 20 éve végezzük a kísérletet… csak elhanyagoltuk a listára való felvételét.)

Mit mutat:

A levegőből kiszűrt porszemcsék a sugárzási szintek megfigyelésének szokásos eljárása. A kísérlet során egy töltött léggömböt használnak, hogy a port (és a rajta tartózkodó radionuklidokat) kiszedjék a levegőből. A ballon sugárzási szintjét Geiger-számlálóval figyelik, és a bomlástermékek felezési idejét figyelik.

Hogyan működik:

A természetben található összes nehéz elem (Z>83) radioaktív, és alfa- vagy béta-kibocsátással bomlik. Továbbá a természetben előforduló nehéz radionuklidok mindegyike három sorozat valamelyikébe tartozik: (1) 238U-rádium, (2) 235U-aktínium és (3) 232-tórium. Mindhárom sorozat tartalmaz egy gáznemű tagot (az Rn izotópját), és a Pb stabil izotópjával végződik.

A rádiumsorozat a 238U-val kezdődik. Az urán és első öt leánya szilárd anyag, amely a talajban marad, de az ötödik leány, a 226Ra 222Rn-re bomlik. Ez a radonnak nevezett leány nemesgáz, kémiailag nem kötődik ahhoz az anyaghoz, amelyben a szülei tartózkodtak. A 222Rn felezési ideje (3,82 d) elég hosszú ahhoz, hogy a gáz nagy része a légkörbe kerüljön. Radon a másik két sorozatban is keletkezik. A radon ezen izotópjai azonban kisebb radiológiai jelentőséggel bírnak. A tóriumsorozatban 220Rn keletkezik, amelyet szintén tóronnak neveznek. A 220Rn felezési ideje 56 s, ezért sokkal nagyobb eséllyel bomlik el, mielőtt a levegőbe kerülne. Az aktíniumsorozat a viszonylag ritka eredeti 235U nukleoidból több átalakulás után 219Rn-t, más néven aktinont termel. Felezési ideje mindössze 4 s, és hozzájárulása a levegőben terjedő radonhoz jelentéktelen. Ezért csak a rádiumsorozatból származó radonnal foglalkozunk. A radon bomlási láncolata a következő:1

A léggömb segítségével a levegőből radioaktív anyagok kivonásának technikájára T. A. Walkiewicz hívta fel a figyelmünket.2 A radon leánytermékei pozitív töltésű aeroszol részecskékhez kapcsolódnak. Ezek a részecskék könnyen vonzódnak egy negatív töltésű tárgyhoz (ebben az esetben egy léggömbhöz), és így egy radioaktív forrást képeznek, amelynek felezési ideje körülbelül ?? perc. Olvassa tovább, hogy megtudja, miért adjuk meg a felezési idő felezési idejét ?? percben.

Mivel nem tudjuk, hogy a radon leánynuklidjai milyen arányban gyűltek össze a léggömbön, egyáltalán nem világos, hogy milyen felezési időt mértünk. A következőkre azonban következtethetünk. Először is, a Po-218 felezési ideje elég rövid ahhoz, hogy aktivitása néhány perc után jelentősen csökkenjen, és ennél hosszabb idő alatt teljesen figyelmen kívül hagyható. Például 21 perc alatt (7 felezési idő) a Po-218 mennyisége az eredeti mennyiség 1/128-ára csökken. A radioaktív ballon effektív felezési idejét ekkor elsősorban a Pb-214 és Bi-214 aktivitása határozza meg, amelyek felezési ideje 27, illetve 20 perc. Ha az adatokat egyetlen effektív felezési időnek tulajdonítjuk, akkor a meghatározott érték függ mind az eredetileg begyűjtött izotópok relatív mennyiségétől, mind pedig a bomlásuktól. Továbbá, bár a ballon alfa-részecskéket és gamma-sugarakat bocsát ki, a Geiger-számláló által észlelt aktivitás nagy részét a Pb-214 és Bi-214 béta-részecskék teszik ki. A gammasugarak kimutatási hatékonysága sokkal kisebb, mint a béta-részecskéké a Geiger-számláló számára, és a Po-218-ból származó alfa-részecskék nagy részét elnyeli a léggömb, a közbeeső levegő és a Geiger-cső fala. Így előfordulhat, hogy a radioaktív bomlás ábrája az első kb. 20 percben valóban emelkedik (a CPM emelkedik), majd kiegyenlítődik, és ezután csökken. Ez a látszólag furcsa viselkedés annak tulajdonítható, hogy a sugárzásmérő nem olyan érzékeny a Po-218 bomlására, de ahogy a Pb-214 mennyisége felhalmozódik (a Po-218 bomlása miatt), a számlálási sebesség emelkedik, mert a monitor érzékeny a Pb-214 bomlására. A detektor “holtidejét” nem mértük, ami szintén hatással lehet. Összefoglalva, az effektív felezési idő mérése egyáltalán nem “tiszta” mérés. Mindezek után az alábbiakban egy képernyőképet láthatunk egy tényleges 1,5 órás futásról az A előadóteremben.

A vízszintes skálán a binning 3 másodperc, így az 1500 számlálás a függőleges skálán elképesztő 30 000 cn/percnek felel meg. A háttérfrekvencia kb. 65 cnts/perc volt, tehát a kezdeti ballonaktivitás több mint 460-szorosa volt a háttérnek! A számlálási sebesség körülbelül 3000 másodperc, azaz 50 perc elteltével az eredeti érték felére csökkent. Világos, hogy a mért bomlás nem exponenciális jellegű az első 1,5 órában, tehát bonyolult dolgok történnek.

A következő képernyőkép egy 12 órás futásról készült, hogy lássuk, a mért bomlás hosszú távon exponenciálisabbnak tűnik-e (a bontás itt 5 másodperc).

Ez a futás valamiért közelebb állt ahhoz, amit várni lehetett: a futás 45 perce körül kezdődően a felezési idő körülbelül 38 percnek tűnik. Az ezt követő órákban 35 perc körülire csökken, ami még mindig jelentősen nagyobb, mint amit a Pb-214 és Bi-214 esetében várnánk, amelyek felezési ideje 27, illetve 20 perc. 17 óra elteltével az aktivitás még mindig körülbelül 150 cpm volt, vagyis körülbelül kétszerese a háttérnek.

A megfigyelt furcsán hosszú felezési idő megfejtéséhez a kísérletet megismételték, és a ballont egy NaI-szcintillációs spektrométerbe helyezték. Öt nagyon erős gammacsúcsot figyeltek meg. Ezek közül kettőt a Pb-214 (353 keV) és a Bi-214 (609 keV) bomlásához kapcsolódó gammaként azonosítottak, mindkettő a radon leánya. Másrészt egy erős 239 keV-os csúcs valószínűleg a toron leányának, a Pb-212-nek volt köszönhető. A Pb-212 β emisszióval (0,346 MeV) Bi-212-re bomlik, felezési ideje 10,6 óra (a részleteket a thoron-bomlás bemutatása tartalmazza alább). Úgy tűnik, annak ellenére, hogy a toron felezési ideje csak 56 másodperc, elegendő mennyiség jut ki a talajból, hogy a léggömb a származékát is összegyűjtse. Még egy megjegyzés: a Bi-212 bomlásához kapcsolódó 727 keV-os gamma (felezési idő = 60,6 perc) nem volt megfigyelhető. A bomlásoknak csak 7%-a bocsátja ki ezt a gammát, következésképpen a szignálja túl gyenge volt ahhoz, hogy megjelenjen a háttérben.

Felállítása:

A 12″ átmérőjű ballont úgy függesztjük fel, hogy viszonylag messze legyen mindentől, ami körülötte van, mivel könnyen vonzódik mindenhez, ami elérhető közelségben van. Töltsük fel a léggömböt úgy, hogy nyúlszőrrel dörzsöljük meg, és hagyjuk háborítatlanul kb. 30 percig. Ezután a léggömböt levesszük a zsinórról, és óvatosan leeresztjük a léggömböt a felfújt végén lévő lyuk átlyukasztásával. Ezután az asztalra lapítjuk, és egy Geiger-Müller-számlálót3 helyezünk rá. A számláló kimenete egy Vernier LabQuest interfészen keresztül egy iMac számítógéphez van csatlakoztatva. A Logger Pro szoftver (radon_daughter.cmbl) megjeleníti a bejövő számlálásokat az idő függvényében, hasonlóan egy többcsatornás skálázóhoz. A kezdeti számlálási ráta meglepően magas – a háttérráta több mint 460-szorosa. Jellemzően 1 órán keresztül vagy annál hosszabb ideig veszünk adatokat. Így a legjobb, ha 1/2 órával az óra előtt töltjük fel a ballont, ha egy vagy két féléletet szeretnénk látni a bomlásban.

A légköri radon önmagában kevés egészségügyi veszélyt jelent. Mivel inert gáz, a belélegzett radon nem marad meg jelentős mennyiségben a szervezetben – nem tapad meg a légutak falán vagy a tüdő mélyén. A potenciális egészségügyi veszély akkor keletkezik, amikor a levegőben lévő radon bomlik, és nem gáznemű radioaktív leányok keletkeznek – a leányok reaktív nehézfémek, amelyek gyorsan a helyiségben lévő tárgyakhoz, például bútorokhoz vagy – a helyiség levegője esetében – füsthöz, vízgőzhöz vagy porhoz kötődnek, amelyeket gyakran együttesen aeroszoloknak neveznek. Ebben a formában ezek a radioaktív részecskék a légutakba vagy mélyen a tüdőbe kerülhetnek. Ebben a helyzetben, amikor egy alfa-részecske a tüdő belsejébe kerül, minden energiáját helyileg, a szomszédos szövetek kis vastagságában helyezi el. Egy kibocsátott béta-részecske sokkal nagyobb, körülbelül 4 mm-es távolságon keresztül rakja le energiáját.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller és 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 (1995. szeptember). J.C. Cowie, Jr. és T.A. Walkiewicz korábbi cikke, “Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (1992. jan.) egy kézilabda radioaktivitását mérte, miután az 50 percig volt játékban.

3. A számláló az International Medcom által gyártott Radalert Inspector modell. Viszonylag nagy ablakkal rendelkezik (1,75″ átmérőjű), 1,5-2,0 mg/cm2 sűrűséggel, ami ideális ehhez az alkalmazáshoz. A kettős miniatűr kimeneti csatlakozó CMOS vagy TTL eszközöket vezérel, és a számlálásokat számítógépre vagy adatgyűjtőre küldi.

4. A specifikációs lap szerint az Inspector csak kb. 36%-os hatékonysággal érzékeli az alfákat, míg az 1 MeV-os bétákat (Bi-214-ből) 65%-os, a 3 MeV-os bétákat (Pb-214-ből) pedig 80%-os hatékonysággal érzékeli.

5. Az Inspector a specifikációs lap szerint csak kb. 36%-os hatékonysággal érzékeli az alfákat. Lásd M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) és J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) további információkért.