Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Observați dezintegrarea radionuclizilor din aer cu un contor Geiger și un computer. (OK, nu este ceva nou, deoarece experimentul se face de 20 de ani… doar că am neglijat să-l adăugăm la lista noastră.)

Ce arată:

Filtrarea particulelor de praf din aer este o procedură standard pentru monitorizarea nivelurilor de radiații. Experimentul folosește un balon încărcat pentru a extrage praful (și orice radionuclizi care rezidă pe el) din aer. Nivelul de radiații din balon este monitorizat de un contor Geiger și se observă timpul de înjumătățire al produselor de dezintegrare.

Cum funcționează:

Toate elementele grele (Z>83) care se găsesc în natură sunt radioactive și se dezintegrează prin emisie alfa sau beta. Mai mult, toți radionuclizii grei care apar în natură aparțin uneia dintre cele trei serii: (1) 238U-Radiu, (2) 235U-Actiniu și (3) 232-Toriu. Toate cele trei serii conțin un membru gazos (un izotop de Rn) și se termină cu un izotop stabil de Pb.

Seria radiului începe cu 238U. Uraniul și primele cinci fiice ale sale sunt solide care rămân în sol, dar a cincea fiică, 226Ra, se dezintegrează în 222Rn. Această fiică, numită radon, este un gaz nobil, care nu este legat chimic în materialul în care au rezidat părinții săi. Timpul de înjumătățire al 222Rn (3,82 d) este suficient de lung pentru ca o mare parte din acest gaz să ajungă în atmosferă. Radonul este generat, de asemenea, în celelalte două serii. Cu toate acestea, acești izotopi ai radonului au o importanță radiologică mai mică. Seria thoriului generează 220Rn, care se mai numește și thoron. 220Rn are un timp de înjumătățire de 56 s și, prin urmare, are o șansă mult mai mare de a se dezintegra înainte de a ajunge în aer. Seria actiniului produce 219Rn, numit și actinon, după mai multe transformări din nuclidul original relativ rar 235U. Timpul său de înjumătățire este de numai 4 s, iar contribuția sa la radonul din aer este nesemnificativă. Prin urmare, vom lua în considerare doar radonul din seria radium. Lanțul de dezintegrare al radonului este următorul:1

Tehnica de utilizare a unui balon pentru extragerea substanțelor radioactive din aer a fost adusă în atenția noastră de T.A. Walkiewicz.2 Produsele fiice ale radonului se atașează de particulele de aerosoli încărcate pozitiv. Aceste particule sunt ușor atrase de un obiect încărcat negativ (un balon, în acest caz), constituind astfel o sursă radioactivă cu un timp de înjumătățire compus de aproximativ ?? minute. Citiți mai departe pentru a afla de ce afirmăm că timpul de înjumătățire este de ?? minute.

Din moment ce nu știm în ce proporție nuclizii fiică ai radonului au fost colectați pe balon, nu este deloc clar ce timp de înjumătățire a fost măsurat. Cu toate acestea, putem deduce următoarele. În primul rând, timpul de înjumătățire al Po-218 este suficient de scurt pentru ca activitatea sa să fie foarte redusă după câteva minute și poate fi complet ignorată pentru perioade mai lungi de timp. De exemplu, în 21 de minute (7 timpi de înjumătățire), cantitatea de Po-218 va fi scăzut la 1/128 din cantitatea inițială. Timpul de înjumătățire efectiv al balonului radioactiv este atunci guvernat în principal de activitățile Pb-214 și Bi-214, care au timpi de înjumătățire de 27 și, respectiv, 20 de minute. Dacă datele sunt interpretate ca fiind datorate unui singur timp de înjumătățire efectiv, valoarea determinată va depinde atât de cantitățile relative ale acestor izotopi care au fost colectate inițial, cât și de dezintegrarea lor. În plus, deși balonul emite particule alfa și raze gamma, majoritatea activității detectate de contorul Geiger este reprezentată de particule beta provenite de la Pb-214 și Bi-214. Razele gamma au o eficiență de detectare mult mai mică decât particulele beta pentru un contor Geiger, iar multe dintre particulele alfa de la Po-218 sunt absorbite de balon, de aerul care intervine și de peretele tubului Geiger. Astfel, este posibil să constatați că diagrama de dezintegrare radioactivă crește de fapt (CPM crește) în primele 20 de minute sau cam așa ceva, se stabilizează și apoi scade. Acest comportament aparent ciudat poate fi atribuit faptului că monitorul de radiații nu este atât de sensibil la dezintegrarea Po-218, dar, pe măsură ce cantitatea de Pb-214 se acumulează (datorită dezintegrării Po-218), rata de numărare crește, deoarece monitorul este sensibil la dezintegrarea Pb-214. „Timpul mort” al detectorului nu a fost măsurat și poate avea, de asemenea, un efect. În concluzie, măsurarea timpului de înjumătățire efectivă nu este deloc o măsurătoare „curată”. Acestea fiind spuse, cea de mai jos este o captură de ecran a unui rulaj real de o oră și jumătate în sala de lectură A.

Binning-ul pe scara orizontală este de 3 secunde, astfel încât cele 1500 de numărători de pe scara verticală corespund la un număr uimitor de 30.000 cnts/min. Rata de fond a fost de aproximativ 65 cnts/min, astfel încât activitatea inițială a balonului a fost de peste 460 de ori mai mare decât cea de fond! Rata de numărare a scăzut la 1/2 din valoarea sa inițială după aproximativ 3000 de secunde, sau 50 de minute. În mod clar, decăderea măsurată nu are un caracter exponențial în primele 1,5 ore, deci se întâmplă lucruri complicate.

Următoarea captură de ecran este de la o rulare de 12 ore pentru a vedea dacă decăderea măsurată pare mai exponențială pe termen lung (binning-ul de aici este de 5 secunde).

Dintr-un motiv oarecare, această rulare a fost mai aproape de ceea ce ne-am putea aștepta: începând cu aproximativ 45 de minute în timpul rulării, timpul de înjumătățire pare a fi de aproximativ 38 de minute. Aceasta scade la aproximativ 35 de minute în orele următoare, ceea ce este încă semnificativ mai mare decât ceea ce s-ar aștepta de la Pb-214 și Bi-214, care au timpi de înjumătățire de 27 și, respectiv, 20 de minute. După 17 ore, activitatea era încă de aproximativ 150 cpm, adică de aproximativ două ori mai mare decât cea de fond.

Pentru a ajuta la descifrarea timpului de înjumătățire ciudat de lung observat, experimentul a fost repetat, iar balonul a fost plasat într-un spectrometru de scintilație cu NaI. Au fost observate cinci vârfuri gamma foarte puternice. Două dintre ele au fost identificate ca fiind gamme asociate cu dezintegrarea Pb-214 (353 keV) și Bi-214 (609 keV), ambele fiice ale radonului. Pe de altă parte, un vârf puternic de 239 keV s-a datorat, cel mai probabil, prezenței Pb-212, un fiu al toronului. Pb-212 se dezintegrează în Bi-212 prin emisie β (0,346 MeV) și are un timp de înjumătățire de 10,6 ore (detalii sunt oferite în demonstrația privind dezintegrarea toronului de mai jos). Aparent, chiar dacă thoronul are un timp de înjumătățire de numai 56 de secunde, suficient de mult iese din sol astfel încât progenitura sa să fie, de asemenea, colectată de balon. O notă suplimentară, gama de 727 keV asociată cu dezintegrarea Bi-212 (timp de înjumătățire = 60,6 min) nu a fost observată. Doar 7% din dezintegrări emit acest gamma și, în consecință, semnătura sa a fost prea slabă pentru a apărea în fundal.

Configurarea:

Suspendați un balon cu diametrul de 12″ în așa fel încât să fie relativ departe de tot ceea ce îl înconjoară, deoarece este ușor de atras de tot ceea ce se află la îndemână. Încărcați balonul frecându-l cu blană de iepure și lăsați-l nemișcat timp de aproximativ 30 de minute. Balonul se scoate apoi de pe sfoară și se dezumflă cu grijă prin perforarea unei găuri în capătul de umflare. Se aplatizează apoi pe masă și se plasează deasupra un contor Geiger-Mueller3. Ieșirea contorului este conectată la un iMac prin intermediul unei interfețe Vernier LabQuest. Software-ul Logger Pro (radon_daughter.cmbl) afișează numărătorile primite în funcție de timp, la fel ca un cântar cu mai multe canale. Rata inițială de numărare este surprinzător de mare – de peste 460 de ori mai mare decât rata de fond. De obicei, luăm date timp de 1 oră sau mai mult. Astfel, cel mai bine este să încărcați balonul cu 1/2 oră înainte de curs dacă doriți să vedeți una sau două jumătăți de viață în dezintegrare.

Radonul în aer în sine prezintă puține pericole pentru sănătate. Fiind un gaz inert, radonul inhalat nu este reținut în cantități semnificative de către organism – nu se lipește de pereții tractului respirator sau în profunzimea plămânilor. Pericolul potențial pentru sănătate apare atunci când radonul din aer se dezintegrează, producând fiice radioactive ne-gazoase – fiicele sunt metale grele reactive care se atașează rapid de obiectele din încăpere, cum ar fi mobila sau, în cazul aerului din încăpere, fumul, vaporii de apă sau praful, adesea numite colectiv aerosoli. În această formă, aceste particule radioactive pot fi atrase în tractul respirator sau în profunzimea plămânilor. În această situație, atunci când o particulă alfa este emisă în interiorul plămânilor, aceasta își depune toată energia local, într-o grosime mică de țesut adiacent. O particulă beta emisă își depune energia pe o distanță mult mai mare, de aproximativ 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller și 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 articol anterior al lui J.C. Cowie, Jr. și T.A. Walkiewicz, „Radioactiveball”, TPT 30, 16-17 (ian 1992) a măsurat radioactivitatea unei mingi de handbal, după ce aceasta a fost în joc timp de 50 de minute.

3. Contorul este modelul Radalert Inspector fabricat de International Medcom. Acesta are o fereastră relativ mare (1,75″ dia) cu o densitate de 1,5-2,0 mg/cm2, ideală pentru această aplicație. Conectorul dublu de ieșire miniaturală comandă dispozitive CMOS sau TTL, trimițând numărătorile la computer sau la un înregistrator de date.

4. Conform fișei de specificații, Inspector are o eficiență de numai aproximativ 36% în detectarea alfa, în timp ce are o eficiență de 65% în detectarea beta de 1 MeV (de la Bi-214) și de 80% în detectarea beta de 3 MeV (de la Pb-214).

5. A se vedea M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) și J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) pentru mai multe informații..

.