ハーバード大学自然科学講座デモンストレーション

空気中の放射性核種の崩壊をガイガーカウンターとコンピュータで観察することができます。 (OK、20年前からやっている実験なので目新しいものではありません。追加するのを怠っていただけです。)

何を見せるか：

空気中の塵の粒子をろ過することは、放射線レベルを監視するための標準手順とされています。 この実験では、荷電した風船を使って、空気中の塵(とそこに存在する放射性核種)を取り出します。 気球の放射線量はガイガーカウンターで監視され、崩壊生成物の半減期が観測されます。

仕組み：

自然界に存在する重元素（Z>83）はすべて放射性で、アルファまたはベータ放出によって崩壊します。 さらに、自然界に存在するすべての重元素は、3つの系列のうちの1つに属しています。 (1)238U-ラジウム、(2)235U-アクチニウム、(3)232トリウムです。 3つの系列はすべて1つの気体メンバー（Rnの同位体）を含み、Pbの安定同位体で終わります。

ラジウム系列は238Uで始まります。 ウランとその最初の5人の娘は土壌中に残る固体ですが、5番目の娘226Raは222Rnに崩壊します。 この娘はラドンと呼ばれ、親が存在した物質と化学的に結合していない希ガスである。 222Rnの半減期（3.82日）は、多くの気体が大気中に放出されるのに十分な長さである。 ラドンは他の2つの系列でも生成されます。 しかし、これらのラドンの同位体は放射線学的にそれほど重要ではありません。 トリウム系列では220Rnが生成され、これはトロンとも呼ばれます。 220Rnは半減期が56秒なので、空気中に飛散する前に崩壊する可能性がはるかに高いです。 アクチニウム系列は、比較的希少な元の核種235Uから数回の変換の後、219Rnを生成し、アクチノンとも呼ばれます。 この核種の半減期はわずか4秒であり、空気中ラドンへの寄与はわずかです。 したがって、ここではラジウム系列のラドンのみを検討します。 ラドンの崩壊連鎖は次の通りである：1

空気中から放射性物質を抽出するために気球を使用する技術は、T.A. Walkiewiczによって注目された2ラドンの娘生成物は、正電荷のエアゾール粒子に付着します。 この粒子は負に帯電した物体（この場合は気球）に容易に引き寄せられ、化合物の半減期が約0.5分の放射性線源を形成する。

ラドンの娘核種がどのような割合で気球に集められたかわからないので、どの程度の半減期が測定されたかはまったく不明です。 しかし、次のようなことは推測できる。 まず、Po-218の半減期は十分短いので、数分後にはその放射能は大きく減少し、それより長い時間では完全に無視できる。 例えば、21分（半減期7回）でPo-218の量は元の量の128分の1にまで減少する。 すると、放射性風船の実効半減期は、主に半減期が27分と20分のPb-214とBi-214の放射能に支配されることになります。 もし、データを単一の有効半減期によるものとした場合、決定される値は、最初に採取されたこれらの同位体の相対量と、その崩壊の両方に依存することになる。 さらに、気球からはアルファ粒子とガンマ線が放出されますが、ガイガーカウンターで検出される放射能の大部分は、Pb-214とBi-214からのベータ粒子です。 ガンマ線の検出効率はベータ線よりもはるかに低く、Po-218からのアルファ粒子の多くは風船や間にある空気、ガイガー管の壁などに吸収されてしまいます。 そのため、最初の20分ほどは放射性崩壊のプロットが実際に上昇し（CPMが上昇し）、その後横ばいになり、その後減少するという現象が見られることがあります。 この一見奇妙な動作は、放射線モニターがPo-218の崩壊にそれほど敏感でないにもかかわらず、Pb-214の量が蓄積されると（Po-218の崩壊により）、モニターがPb-214の崩壊に敏感になるためカウントレートが上がることに起因している可能性があるのです。 検出器の「不感時間」は測定されていないが、これも影響する可能性がある。 結論として、実効半減期測定は「きれいな」測定では全くない。 とはいえ、以下は講義室Aで実際に1時間半ほど行ったときのスクリーンショットです。

水平スケールのビニングは3秒なので、垂直スケールの1500カウントは、なんと3万カウント/分に相当します。 バックグラウンドは約65カウント/分でしたので、初期の気球の活動はバックグラウンドの460倍以上だったことになります! カウント数は約3000秒後、つまり50分後には元の値の1/2にまで減少した。

次のスクリーンショットは、測定された減衰が長期的にもっと指数関数的に見えるかどうかを見るための 12 時間の実行です (ここでは 5 秒ごとに区切られています)。 半減期が27分と20分であるPb-214とBi-214から期待されるものよりもまだかなり大きいです。 17時間後、放射能はまだ約150cpmで、バックグラウンドの約2倍だった。

観察された不思議なほど長い半減期を解読するために、実験を繰り返し、バルーンをNaIシンチレーション分光計に置いた。 5つの非常に強いガンマピークが観測された。 そのうちの2つは、ラドンの娘核種であるPb-214（353keV）とBi-214（609keV）の崩壊に伴うガンマ線であることが確認されました。 一方、239keVの強いピークは、トロンの娘であるPb-212の存在に起因する可能性が高い。 Pb-212はβ線放出（0.346MeV）によりBi-212に崩壊し、半減期は10.6時間である（詳細は下記の「Thoron Decayデモンストレーション」で述べる）。 どうやら、トロンの半減期が56秒であるにもかかわらず、その子孫も気球に集められるほど、十分に地上に出てきているようです。 なお、Bi-212（半減期60.6分）の崩壊に伴う727keVのガンマ線は観測されませんでした。

セットアップ:

直径12インチの風船を、手の届くところにあるものに引き寄せられやすいので、周囲のものから比較的遠くなるように吊り下げます。 風船をウサギの毛でこすって帯電させ、約30分間放置します。 その後、風船を紐からはずし、膨らませた端に穴を開けて慎重に膨らませます。 その後、テーブルの上に平らにして、ガイガーミュラーカウンター3 を乗せます。 カウンターの出力は、Vernier LabQuest インターフェースを介して iMac に接続されています。 Logger Proソフトウェア（radon_daughter.cmbl）は、マルチチャンネル・スケーラのように、入力されたカウントを時間に対して表示します。 初期のカウントレートはバックグラウンドレートの460倍以上と、驚くほど高い。 通常、1時間以上データを取ります。 したがって、減衰の半減期を1～2回見たい場合は、授業の30分前にバルーンを充電するのがベストです。

空気中のラドン自体はほとんど健康に害を与えません。 不活性ガスであるため、吸い込んだラドンは体内にはあまり留まりません。 空気中のラドンが崩壊して、非気体の放射性娘核種を生成したときに、潜在的な健康被害が発生します。娘核種は反応性の重金属で、すぐに家具など部屋の中のものに付着したり、部屋の空気の場合は、煙、水蒸気、または塵（しばしば総称してエアロゾルと呼ばれます）に付着します。 このような形で放射性粒子は気道や肺の奥に引き込まれることがある。 この場合、アルファ粒子が肺の内部で放出されると、そのエネルギーはすべて隣接する組織のわずかな厚み内に局所的に沈着する。 放出されたベータ粒子は、約4mmとはるかに大きな距離にわたってそのエネルギーを沈着させる5

1. F.W. Walker, D.G. Miller and 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).などに記載。 J.C. Cowie, Jr. と T.A. Walkiewicz による以前の記事 “Radioactiveball”, TPT 30, 16-17 (Jan 1992) は、ハンドボールを50分間プレーした後の放射能を測定しています。 カウンターは International Medcom 製の Radalert Inspector モデルです。 比較的大きな窓（φ1.75インチ）を持ち、密度は1.5-2.0mg/cm2とこの用途には理想的なものです。 スペックシートによると、Inspectorのアルファ線検出効率は約36%ですが、1MeVのベータ線（Bi-214由来）の検出効率は65%で、3MeVのベータ線（Pb-214由来）の検出効率は80%です

5. 詳しくはM.Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) とJ.E.Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995)を参照してください。