Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Bekijk het verval van radionucliden in de lucht met een geigerteller en computer. (OK, het is niet nieuw want we doen dit experiment al 20 jaar… we hebben het alleen niet aan onze lijst toegevoegd.)

Wat het laat zien:

Het filteren van stofdeeltjes uit de lucht is een standaardprocedure voor het monitoren van stralingsniveaus. Het experiment maakt gebruik van een geladen ballon om het stof (en eventuele radionucliden die zich daarop bevinden) uit de lucht te halen. Het stralingsniveau van de ballon wordt gecontroleerd door een geigerteller en de halveringstijd van de vervalproducten wordt waargenomen.

Hoe het werkt:

Alle zware elementen (Z>83) die in de natuur worden gevonden zijn radioactief en vervallen door alfa- of bèta-emissie. Bovendien behoren alle in de natuur voorkomende zware radionucliden tot een van de drie series: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium, en (3) 232Thorium. Alle drie reeksen bevatten één gasvormig lid (een isotoop van Rn) en eindigen in een stabiele isotoop van Pb.

De radiumreeks begint met 238U. Uranium en zijn eerste vijf dochters zijn vaste stoffen die in de bodem blijven, maar de vijfde dochter 226Ra vervalt in 222Rn. Deze dochter, radon genaamd, is een edelgas, dat niet chemisch gebonden is in het materiaal waar zijn ouders verbleven. De halveringstijd van 222Rn (3,82 d) is lang genoeg om een groot deel van het gas de atmosfeer in te laten stromen. Radon wordt ook gegenereerd in de andere twee reeksen. Deze isotopen van radon zijn echter van minder groot radiologisch belang. De thoriumserie genereert 220Rn, dat ook thoron wordt genoemd. 220Rn heeft een halveringstijd van 56 s en heeft dus een veel grotere kans om te vervallen voordat het in de lucht terechtkomt. De actiniumreeks produceert 219Rn, ook actinon genoemd, na verscheidene transformaties van de relatief zeldzame oorspronkelijke nuclide 235U. De halveringstijd van deze nuclide is slechts 4 s en de bijdrage ervan aan het radon in de lucht is onbeduidend. Wij zullen ons dus beperken tot radon uit de radiumreeks. De vervalketen van radon is als volgt:1

De techniek om met behulp van een ballon radioactieve stoffen uit de lucht te halen werd onder onze aandacht gebracht door T.A. Walkiewicz.2 De dochterproducten van radon hechten zich aan positief geladen aërosoldeeltjes. Deze deeltjes worden gemakkelijk aangetrokken door een negatief geladen voorwerp (een ballon, in dit geval), waardoor een radioactieve bron wordt opgebouwd met een samengestelde halveringstijd van ongeveer ?? minuten. Lees verder om te leren waarom we de halfwaardetijd vermelden als ?? minuten.

Omdat we niet weten in welke verhouding de dochternucliden van radon op de ballon zijn verzameld, is het helemaal niet duidelijk welke halfwaardetijd is gemeten. Wel kunnen we het volgende afleiden. Ten eerste is de halveringstijd van Po-218 kort genoeg om zijn activiteit na enkele minuten sterk te doen afnemen en voor tijden langer dan dat volledig te kunnen verwaarlozen. Bijvoorbeeld, in 21 minuten (7 halfwaardetijden) zal de hoeveelheid Po-218 gedaald zijn tot 1/128 van de oorspronkelijke hoeveelheid. De effectieve halveringstijd van de radioactieve ballon wordt dan voornamelijk bepaald door de activiteiten van Pb-214 en Bi-214, die een halveringstijd van respectievelijk 27 en 20 minuten hebben. Indien de gegevens worden geïnterpreteerd als het resultaat van één enkele effectieve halveringstijd, zal de vastgestelde waarde afhangen van zowel de relatieve hoeveelheden van deze isotopen die in eerste instantie werden verzameld, als van het verval ervan. Hoewel de ballon alfadeeltjes en gammastralen uitzendt, bestaat het grootste deel van de activiteit die door de geigerteller wordt gedetecteerd uit bètadeeltjes van Pb-214 en Bi-214. Gammastralen hebben een veel lagere detectie-efficiëntie dan betadeeltjes voor een geigerteller, en veel van de alfadeeltjes van Po-218 worden geabsorbeerd door de ballon, de tussenliggende lucht, en de wand van de geigerbuis. Het is dus mogelijk dat de plot van het radioactieve verval in de eerste 20 minuten of zo stijgt (CPM stijgt), daarna afvlakt en dan daalt. Dit schijnbaar vreemde gedrag kan worden toegeschreven aan het feit dat de stralingsmonitor niet zo gevoelig is voor het verval van Po-218, maar naarmate de hoeveelheid Pb-214 toeneemt (ten gevolge van het verval van Po-218), gaat de telsnelheid omhoog omdat de monitor gevoelig is voor het verval van Pb-214. De “dode tijd” van de detector is niet gemeten en kan ook een effect hebben. Kortom, de meting van de effectieve halfwaardetijd is helemaal geen “zuivere” meting. Dit gezegd zijnde, volgt hieronder een screenshot van een werkelijk 1,5 uur durende run in collegezaal A.

De binning op de horizontale schaal is 3 seconden, zodat de 1500 tellingen op de verticale schaal overeenkomen met een verbazingwekkende 30.000 cnts/min. De achtergrond was ongeveer 65 cnts/min, dus de aanvankelijke ballonactiviteit was meer dan 460 keer de achtergrond! Na ongeveer 3000 seconden, ofwel 50 minuten, daalde de tellingssnelheid tot de helft van zijn oorspronkelijke waarde. Het is duidelijk dat het gemeten verval in de eerste 1,5 uur niet exponentieel van karakter is, dus er zijn ingewikkelde dingen aan de hand.

De volgende schermafbeelding is van een run van 12 uur om te zien of het gemeten verval er op de lange termijn exponentieel uitziet (de binning is hier 5 seconden).

Om de een of andere reden kwam deze run dichter in de buurt van wat men zou verwachten: vanaf ongeveer 45 minuten in de run blijkt de halfwaardetijd ongeveer 38 minuten te zijn. In de uren daarna daalt dit tot ongeveer 35 minuten, wat nog steeds aanzienlijk meer is dan wat men zou verwachten van Pb-214 en Bi-214, die een halveringstijd van respectievelijk 27 en 20 minuten hebben. Na 17 uur was de activiteit nog steeds ongeveer 150 cpm, of ongeveer tweemaal de achtergrond.

Om de waargenomen merkwaardig lange halveringstijd te helpen ontcijferen, werd het experiment herhaald en werd de ballon in een NaI scintillatie spectrometer geplaatst. Vijf zeer sterke gamma pieken werden waargenomen. Twee daarvan werden geïdentificeerd als gammas die verband houden met het verval van Pb-214 (353 keV) en Bi-214 (609 keV), beide dochters van radon. Anderzijds was een sterke 239 keV-piek hoogstwaarschijnlijk te wijten aan de aanwezigheid van Pb-212, een dochter van thoron. Pb-212 vervalt in Bi-212 door β-emissie (0,346 MeV) en heeft een halveringstijd van 10,6 uur (details worden gegeven in de Thoron-vervaldemonstratie hieronder). Hoewel thoron een halveringstijd van slechts 56 seconden heeft, komt er blijkbaar toch genoeg uit de grond zodat zijn progenium ook door de ballon wordt opgevangen. Nog een opmerking: het gamma van 727 keV dat samenhangt met het verval van Bi-212 (halveringstijd = 60,6 min) werd niet waargenomen. Slechts 7% van het verval geeft dit gamma af en bijgevolg was de signatuur ervan te zwak om in de achtergrond te verschijnen.

Opzetten:

Zet een ballon met een diameter van 12″ zo dat hij relatief ver verwijderd is van alles eromheen, aangezien hij gemakkelijk wordt aangetrokken door alles wat binnen zijn bereik is. Laad de ballon op door hem in te wrijven met konijnenbont en laat hem ongemoeid gedurende ongeveer 30 minuten. De ballon wordt dan van het touwtje gehaald en voorzichtig leeggelaten door een gaatje in het opblaaseind te prikken. Vervolgens wordt hij plat op tafel gelegd en wordt er een Geiger-Mueller-teller3 op geplaatst. De uitgang van de teller wordt via een Vernier LabQuest interface aangesloten op een iMac. De software Logger Pro (radon_daughter.cmbl) geeft de binnenkomende tellingen ten opzichte van de tijd weer, ongeveer zoals een meerkanaals scaler. De aanvankelijke tellingsfrequentie is verrassend hoog – meer dan 460 keer de achtergrondfrequentie. Wij nemen gewoonlijk gegevens gedurende 1 uur of meer. Het is dus best om de ballon een half uur voor de les op te laden als u één of twee halflevens in het verval wilt zien.

Het radon in de lucht vormt zelf weinig gevaar voor de gezondheid. Als inert gas wordt ingeademd radon niet in grote hoeveelheden door het lichaam vastgehouden – het hecht zich niet aan de wanden van de ademhalingswegen of diep in de longen. Het potentiële gevaar voor de gezondheid ontstaat wanneer radon in de lucht vervalt, waarbij niet-gasvormige radioactieve dochters worden geproduceerd – de dochters zijn reactieve zware metalen die zich snel hechten aan dingen in de kamer, zoals meubilair of, in het geval van kamerlucht, rook, waterdamp of stof, vaak samen aërosolen genoemd. In deze vorm kunnen deze radioactieve deeltjes in de ademhalingswegen of diep in de longen worden gezogen. Wanneer in deze situatie een alfadeeltje in de long wordt uitgezonden, slaat het al zijn energie lokaal neer in een kleine dikte van het aangrenzende weefsel. Een uitgezonden betadeeltje slaat zijn energie neer over een veel grotere afstand van ongeveer 4 mm.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). In een eerder artikel van J.C. Cowie, Jr. en T.A. Walkiewicz, “Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (jan 1992) werd de radioactiviteit gemeten van een handbal, nadat deze 50 minuten in het spel was geweest.

3. De teller is het model Radalert Inspector, gemaakt door International Medcom. Het heeft een relatief groot venster (1,75″ dia) met een dichtheid van 1,5-2,0 mg/cm2, ideaal voor deze toepassing. De dubbele miniatuuruitgangsaansluiting stuurt CMOS- of TTL-apparaten aan, die de tellingen naar de computer of de datalogger sturen.

4. Volgens het specificatieblad is de Inspector slechts voor ongeveer 36% efficiënt in het opsporen van alfa’s, terwijl hij voor 65% efficiënt is in het opsporen van 1 MeV beta’s (van Bi-214), en voor 80% in het opsporen van 3 MeV beta’s (van Pb-214).

5. Zie M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) en J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) voor meer informatie..