Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Obserwuj rozpad radionuklidów unoszących się w powietrzu za pomocą licznika Geigera i komputera. (OK, to nie jest nowość, ponieważ wykonujemy ten eksperyment od 20 lat… po prostu zaniedbaliśmy dodanie go do naszej listy.)

Co to pokazuje:

Filtrowanie cząsteczek pyłu z powietrza jest standardową procedurą monitorowania poziomu promieniowania. W eksperymencie wykorzystuje się naładowany balon, aby wydobyć pył (i wszelkie radionuklidy na nim rezydujące) z powietrza. Poziom promieniowania w balonie jest monitorowany przez licznik Geigera i obserwowany jest okres połowicznego zaniku produktów rozpadu.

Jak to działa:

Wszystkie ciężkie pierwiastki (Z>83) występujące w przyrodzie są radioaktywne i rozpadają się poprzez emisję alfa lub beta. Ponadto, wszystkie naturalnie występujące ciężkie radionuklidy należą do jednej z trzech serii: (1) 238U-Rad, (2) 235U-Aktyn i (3) 232Tor. Wszystkie trzy serie zawierają jeden gazowy członek (izotop Rn) i kończą się stabilnym izotopem Pb.

Seria radowa zaczyna się od 238U. Uran i jego pierwsze pięć córek są ciałami stałymi, które pozostają w glebie, ale piąta córka 226Ra rozpada się na 222Rn. Córka ta, zwana radonem, jest gazem szlachetnym, nie związanym chemicznie z materiałem, w którym przebywali jej rodzice. Okres połowicznego rozpadu 222Rn (3,82 d) jest wystarczająco długi, aby znaczna część tego gazu wydostała się do atmosfery. Radon powstaje również w dwóch pozostałych seriach. Jednak te izotopy radonu mają mniejsze znaczenie radiologiczne. W szeregu toru powstaje 220Rn, który jest również nazywany toronem. 220Rn ma okres połowicznego rozpadu 56 s i dlatego ma znacznie większą szansę na rozpad przed przedostaniem się do powietrza. Szereg aktynowy wytwarza 219Rn, zwany również aktynonem, po kilku przemianach ze stosunkowo rzadkiego pierwotnego nuklidu 235U. Jego okres połowicznego zaniku wynosi zaledwie 4 s, a jego udział w radonie przenoszonym drogą powietrzną jest nieistotny. W związku z tym rozpatrujemy tylko radon z serii radowej. Łańcuch rozpadu radonu jest następujący:1

Na technikę wykorzystywania balonu do wydobywania substancji radioaktywnych z powietrza zwrócił uwagę T.A. Walkiewicz.2 Produkty pochodne radonu przyczepiają się do dodatnio naładowanych cząstek aerozolu. Cząstki te są łatwo przyciągane przez obiekty naładowane ujemnie (w tym przypadku balon), budując w ten sposób źródło promieniotwórcze o okresie połowicznego rozpadu związku wynoszącym około ?? minut. Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, dlaczego podajemy okres połowicznego rozpadu jako ?? minut.

Ponieważ nie wiemy, w jakiej proporcji nuklidy pochodne radonu zostały zebrane na balonie, nie jest wcale jasne, jaki okres połowicznego rozpadu został zmierzony. Możemy jednak wywnioskować, co następuje. Po pierwsze, okres połowicznego zaniku Po-218 jest na tyle krótki, że jego aktywność znacznie spada po kilku minutach i może być całkowicie zignorowana dla czasów dłuższych niż ten. Na przykład w ciągu 21 minut (7 okresów półtrwania) ilość Po-218 spadnie do 1/128 pierwotnej ilości. Efektywny czas połowicznego zaniku balonu radioaktywnego jest więc regulowany głównie przez aktywności Pb-214 i Bi-214, których czasy połowicznego zaniku wynoszą odpowiednio 27 i 20 minut. Jeżeli dane zostaną uznane za wynikające z jednego efektywnego okresu połowicznego rozpadu, ustalona wartość będzie zależała zarówno od względnych ilości tych izotopów, które zostały zebrane w pierwszej kolejności, jak i od ich rozpadu. Ponadto, chociaż balon emituje cząstki alfa i promienie gamma, większość aktywności wykrywanej przez licznik Geigera to cząstki beta pochodzące od Pb-214 i Bi-214. Promienie gamma mają znacznie niższą skuteczność wykrywania niż cząstki beta dla licznika Geigera, a wiele cząstek alfa pochodzących od Po-218 jest pochłanianych przez balon, powietrze i ścianki rurki Geigera. Dlatego też może się okazać, że wykres rozpadu radioaktywnego faktycznie wzrasta (CPM wzrasta) w ciągu pierwszych 20 minut lub tak dalej, wyrównuje się, a następnie maleje. To pozornie dziwne zachowanie można przypisać temu, że detektor promieniowania nie jest tak czuły na rozpad Po-218, ale gdy ilość Pb-214 rośnie (z powodu rozpadu Po-218), liczba zliczeń rośnie, ponieważ detektor jest czuły na rozpad Pb-214. Nie zmierzono „czasu martwego” detektora, który również może mieć na to wpływ. Podsumowując, pomiar efektywnego czasu połowicznego zaniku nie jest wcale „czystym” pomiarem. Poniżej znajduje się zrzut ekranu z 1,5 godzinnego badania w sali wykładowej A.

Binowanie na skali poziomej wynosi 3 sekundy, więc 1500 zliczeń na skali pionowej odpowiada zdumiewającej liczbie 30 000 cnts/min. Częstotliwość tła wynosiła około 65 cnts/min, więc początkowa aktywność balonu była ponad 460 razy większa od tła! Szybkość zliczania spadła do 1/2 wartości początkowej po około 3000 sekundach, czyli 50 minutach. Najwyraźniej zmierzony rozkład nie ma charakteru wykładniczego w ciągu pierwszych 1,5 godziny, więc dzieją się tu skomplikowane rzeczy.

Następny zrzut ekranu przedstawia przebieg 12-godzinny, aby sprawdzić, czy zmierzony rozkład wygląda bardziej wykładniczo w dłuższej perspektywie (podział na odcinki wynosi 5 sekund).

Z jakiegoś powodu ten przebieg był bliższy temu, czego można by oczekiwać: po około 45 minutach pracy, okres połowicznego zaniku wynosi około 38 minut. W kolejnych godzinach spada on do około 35 minut, co i tak jest znacznie większe niż można by się spodziewać po Pb-214 i Bi-214, których okresy półtrwania wynoszą odpowiednio 27 i 20 minut. Po 17 godzinach aktywność nadal wynosiła około 150 cpm, czyli około dwa razy więcej niż tło.

Aby pomóc rozszyfrować osobliwie długi okres półtrwania, eksperyment został powtórzony, a balon umieszczono w spektrometrze scyntylacyjnym NaI. Zaobserwowano pięć bardzo silnych pików gamma. Dwa z nich zostały zidentyfikowane jako gamma związane z rozpadem Pb-214 (353 keV) i Bi-214 (609 keV), córek radonu. Z drugiej strony, silny pik 239 keV był najprawdopodobniej spowodowany obecnością Pb-212, córki toronu. Pb-212 rozpada się na Bi-212 poprzez emisję β (0,346 MeV) i ma czas połowicznego zaniku 10,6 h (szczegóły podane są w demonstracji rozpadu toronu poniżej). Najwyraźniej, mimo że okres połowicznego zaniku toru wynosi tylko 56 sekund, z ziemi wydostaje się na tyle dużo, że jego potomstwo jest również zbierane przez balon. Jeszcze jedna uwaga: gamma 727 keV związane z rozpadem Bi-212 (czas połowicznego zaniku = 60,6 min) nie zostało zaobserwowane. Tylko 7% rozpadów wydziela ten promieniowanie gamma, a zatem jego sygnatura była zbyt słaba, aby pojawić się w tle.

Ustawienie:

Zawiesić balon o średnicy 12 cali w taki sposób, aby był stosunkowo daleko od wszystkiego wokół, ponieważ łatwo go przyciągnąć do wszystkiego, co jest w zasięgu. Naładuj balon pocierając go króliczym futrem i pozostaw na około 30 minut. Następnie balon należy zdjąć ze sznurka i ostrożnie opróżnić, przebijając otwór w nadmuchiwanym końcu. Następnie rozkłada się go płasko na stole i umieszcza na nim licznik Geigera-Muellera3 . Wyjście z licznika jest podłączone do komputera iMac poprzez interfejs Vernier LabQuest. Oprogramowanie Logger Pro (radon_daughter.cmbl) wyświetla przychodzące zliczenia w funkcji czasu, podobnie jak skaler wielokanałowy. Początkowy poziom zliczeń jest zaskakująco wysoki – ponad 460 razy większy od poziomu tła. Zazwyczaj zbieramy dane przez 1 godzinę lub dłużej. Dlatego najlepiej jest naładować balon na 1/2 godziny przed zajęciami, jeśli chcesz zobaczyć jedno lub dwa półżycia w rozkładzie.

Powietrzny radon sam w sobie stanowi niewielkie zagrożenie dla zdrowia. Jako gaz obojętny, wdychany radon nie jest zatrzymywany w znaczących ilościach przez organizm – nie przywiera do ścian dróg oddechowych ani głęboko w płucach. Potencjalne zagrożenie dla zdrowia powstaje, gdy radon w powietrzu rozpada się, wytwarzając niegazowe cząstki radioaktywne – cząstki te to reaktywne metale ciężkie, które szybko przyczepiają się do przedmiotów znajdujących się w pomieszczeniu, takich jak meble lub, w przypadku powietrza w pomieszczeniu, dym, para wodna lub kurz, często nazywane zbiorczo aerozolami. W takiej postaci cząstki radioaktywne mogą zostać wciągnięte do dróg oddechowych lub głęboko do płuc. W takiej sytuacji, gdy cząstka alfa jest emitowana wewnątrz płuca, cała jej energia jest lokalnie deponowana w niewielkiej grubości przylegającej tkanki. Wyemitowana cząstka beta oddaje swoją energię na znacznie większą odległość, wynoszącą około 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller i 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). Wcześniejszy artykuł J.C. Cowie, Jr. i T.A. Walkiewicz, „Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (styczeń 1992) mierzył radioaktywność piłki ręcznej, po tym jak była w grze przez 50 minut.

3. Licznik to model Radalert Inspector wyprodukowany przez International Medcom. Posiada on stosunkowo duże okienko (1,75″ dia) o gęstości 1,5-2,0 mg/cm2, idealne do tego zastosowania. Podwójne miniaturowe gniazdo wyjściowe napędza urządzenia CMOS lub TTL, przesyłając zliczenia do komputera lub rejestratora danych.

4. Zgodnie z arkuszem specyfikacji, Inspector jest tylko około 36% skuteczny w wykrywaniu alf, natomiast jest 65% skuteczny w wykrywaniu bety 1 MeV (z Bi-214) i 80% skuteczny w wykrywaniu bety 3 MeV (z Pb-214).

5. Patrz M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) i J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995), aby uzyskać więcej informacji..

.