Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Osserva il decadimento dei radionuclidi presenti nell’aria con un contatore Geiger e un computer. (OK, non è nuovo, dato che abbiamo fatto l’esperimento per 20 anni… abbiamo solo trascurato di aggiungerlo alla nostra lista.)

Cosa mostra:

Filtrare le particelle di polvere dall’aria è una procedura standard per monitorare i livelli di radiazione. L’esperimento utilizza un palloncino carico per estrarre la polvere (ed eventuali radionuclidi residenti su di essa) dall’aria. Il livello di radiazione del pallone è monitorato da un contatore Geiger e l’emivita dei prodotti di decadimento è osservata.

Come funziona:

Tutti gli elementi pesanti (Z>83) trovati in natura sono radioattivi e decadono per emissione alfa o beta. Inoltre, tutti i radionuclidi pesanti presenti in natura appartengono ad una delle tre serie: (1) 238U-Radio, (2) 235U-Attinio, e (3) 232Torio. Tutte e tre le serie contengono un membro gassoso (un isotopo di Rn) e finiscono in un isotopo stabile di Pb.

La serie del radio inizia con 238U. L’uranio e le sue prime cinque figlie sono solidi che rimangono nel suolo, ma la quinta figlia 226Ra decade in 222Rn. Questa figlia, chiamata radon, è un gas nobile, non legato chimicamente nel materiale dove risiedevano i suoi genitori. Il tempo di dimezzamento del 222Rn (3,82 d) è abbastanza lungo perché gran parte del gas si faccia strada nell’atmosfera. Il radon è generato anche nelle altre due serie. Tuttavia, questi isotopi del radon sono di minore importanza radiologica. La serie del torio genera 220Rn, che è anche chiamato thoron. Il 220Rn ha un tempo di dimezzamento di 56 s e quindi ha una probabilità molto maggiore di decadere prima di essere trasportato nell’aria. La serie dell’attinio produce 219Rn, chiamato anche actinon, dopo diverse trasformazioni dal relativamente raro nuclide 235U originale. Il suo tempo di dimezzamento è solo 4 s, e il suo contributo al radon trasportato dall’aria è insignificante. Così considereremo solo il radon della serie del radio. La catena di decadimento del radon è la seguente:1

La tecnica di usare un pallone per estrarre sostanze radioattive dall’aria fu portata alla nostra attenzione da T.A. Walkiewicz.2 I prodotti figli del radon si attaccano a particelle di aerosol con carica positiva. Queste particelle sono prontamente attratte da un oggetto con carica negativa (un pallone, in questo caso), costruendo così una sorgente radioattiva con un’emivita composta di circa ?? minuti. Continuate a leggere per sapere perché dichiariamo il tempo di dimezzamento di ?? minuti.

Siccome non sappiamo in quale proporzione i nuclidi figli del radon sono stati raccolti sul pallone, non è affatto chiaro quale tempo di dimezzamento sia stato misurato. Tuttavia, possiamo dedurre quanto segue. In primo luogo, il tempo di dimezzamento del Po-218 è abbastanza breve che la sua attività sarà notevolmente ridotta dopo diversi minuti e può essere completamente ignorata per tempi più lunghi di questo. Per esempio, in 21 minuti (7 emivite) la quantità di Po-218 sarà scesa a 1/128 della quantità originale. L’emivita effettiva del pallone radioattivo è quindi governata principalmente dalle attività di Pb-214 e Bi-214, che hanno emivite di 27 e 20 minuti, rispettivamente. Se i dati vengono considerati come dovuti a un’unica emivita effettiva, il valore determinato dipenderà sia dalle quantità relative di questi isotopi che sono state raccolte in primo luogo, sia dal loro decadimento. Inoltre, anche se il pallone emette particelle alfa e raggi gamma, la maggior parte dell’attività rilevata dal contatore Geiger sono particelle beta da Pb-214 e Bi-214. I raggi gamma hanno un’efficienza di rilevamento molto più bassa delle particelle beta per un contatore Geiger, e molte delle particelle alfa dal Po-218 sono assorbite dal palloncino, dall’aria intermedia e dalla parete del tubo Geiger. Così, si può scoprire che la trama del decadimento radioattivo in realtà aumenta (CPM sale) nei primi 20 minuti o giù di lì, si livella, e poi diminuisce. Questo comportamento apparentemente strano può essere attribuito al fatto che il rilevatore di radiazioni non è così sensibile al decadimento del Po-218 ma, come la quantità di Pb-214 si accumula (a causa del decadimento del Po-218), il tasso di conteggio sale perché il rilevatore è sensibile al decadimento del Pb-214. Il “tempo morto” del rivelatore non è stato misurato e può anche avere un effetto. In conclusione, la misura del tempo di dimezzamento effettivo non è affatto una misura “pulita”. Detto questo, quella che segue è una schermata di un’ora e mezza di funzionamento effettivo nell’aula A.

Il binning sulla scala orizzontale è di 3 secondi, quindi i 1500 conteggi sulla scala verticale corrispondono a un sorprendente 30.000 cnts/min. Il tasso di fondo era di circa 65 cnts/min, quindi l’attività iniziale del pallone era oltre 460 volte il fondo! Il tasso di conteggio è sceso a 1/2 del suo valore originale dopo circa 3000 secondi, o 50 minuti. Chiaramente, il decadimento misurato non è esponenziale nelle prime 1,5 ore, quindi stanno succedendo cose complicate.

Il prossimo screenshot è di una corsa di 12 ore per vedere se il decadimento misurato sembra più esponenziale nel lungo periodo (il binning qui è di 5 secondi).

Per qualche ragione questa corsa era più vicina a ciò che ci si potrebbe aspettare: a partire da circa 45 minuti nella corsa, il tempo di dimezzamento sembra essere di circa 38 minuti. Scende a circa 35 minuti nelle ore successive, che è ancora significativamente maggiore di quello che ci si aspetterebbe dal Pb-214 e dal Bi-214, che hanno emivite di 27 e 20 minuti, rispettivamente. Dopo 17 ore, l’attività era ancora di circa 150 cpm, o circa il doppio del background.

Per aiutare a decifrare l’emivita curiosamente lunga osservata, l’esperimento è stato ripetuto e il pallone è stato messo in uno spettrometro a scintillazione NaI. Sono stati osservati cinque picchi gamma molto forti. Due di essi sono stati identificati come gamme associate al decadimento di Pb-214 (353 keV) e Bi-214 (609 keV), entrambe figlie del radon. D’altra parte, un forte picco di 239 keV era molto probabilmente dovuto alla presenza di Pb-212, una figlia del torone. Il Pb-212 decade in Bi-212 per emissione β (0,346 MeV) e ha un’emivita di 10,6 ore (i dettagli sono forniti nella dimostrazione del decadimento del torone qui sotto). Apparentemente, anche se il thoron ha un’emivita di soli 56 secondi, abbastanza sta uscendo dal terreno in modo che anche la sua progenie sia raccolta dal pallone. Un’altra nota, il gamma 727 keV associato al decadimento del Bi-212 (emivita = 60,6 min) non è stato osservato. Solo il 7% dei decadimenti emette questa gamma e di conseguenza la sua firma era troppo debole per apparire nello sfondo.

Impostazione:

Sospendi un palloncino di 12″ di diametro in modo tale che sia relativamente lontano da tutto ciò che lo circonda, poiché è facilmente attratto da qualsiasi cosa a portata di mano. Caricare il palloncino strofinandolo con del pelo di coniglio e lasciarlo indisturbato per circa 30 minuti. Il palloncino viene poi rimosso dalla corda e accuratamente sgonfiato praticando un foro all’estremità di gonfiaggio. Viene poi appiattito sul tavolo e un contatore Geiger-Mueller3 posizionato sopra. L’uscita del contatore è collegata ad un iMac tramite un’interfaccia Vernier LabQuest. Il software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) visualizza i conteggi in entrata rispetto al tempo, un po’ come uno scaler multicanale. Il tasso di conteggio iniziale è sorprendentemente alto – oltre 460 volte il tasso di fondo. In genere prendiamo dati per 1 ora o più. Quindi, è meglio caricare il pallone 1/2 ora prima della lezione se si desidera vedere una o due mezze vite nel decadimento.

Il radon aerodisperso in sé pone pochi rischi per la salute. Essendo un gas inerte, il radon inalato non è trattenuto in quantità significative dal corpo – non si attacca alle pareti del tratto respiratorio o in profondità nei polmoni. Il potenziale pericolo per la salute sorge quando il radon nell’aria decade, producendo figlie radioattive non gassose – le figlie sono metalli pesanti reattivi che si attaccano rapidamente alle cose nella stanza come mobili o, nel caso dell’aria della stanza, fumo, vapore acqueo o polvere, spesso chiamati collettivamente aerosol. In questa forma queste particelle radioattive possono essere attirate nel tratto respiratorio o in profondità nei polmoni. In questa situazione, quando una particella alfa viene emessa all’interno del polmone, deposita tutta la sua energia localmente in un piccolo spessore di tessuto adiacente. Una particella beta emessa deposita la sua energia su una distanza molto più grande di circa 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller e 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 precedente articolo di J.C. Cowie, Jr. e T.A. Walkiewicz, “Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (Jan 1992) ha misurato la radioattività di un pallone da pallamano, dopo che era stato in gioco per 50 minuti.

3. Il contatore è il modello Radalert Inspector prodotto da International Medcom. Ha una finestra relativamente grande (1,75″ dia) con una densità di 1,5-2,0 mg/cm2, ideale per questa applicazione. Il doppio jack di uscita in miniatura pilota dispositivi CMOS o TTL, inviando i conteggi al computer o al data logger.

4. Secondo il foglio delle specifiche, l’Inspector è solo circa il 36% efficiente nel rilevare gli alfa mentre è efficiente al 65% nel rilevare i beta da 1 MeV (da Bi-214), e all’80% nel rilevare i beta da 3 MeV (da Pb-214).

5. Vedi M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) e J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) per ulteriori informazioni.