Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations

Observera sönderfallet av luftburna radionuklider med en Geigerräknare och en dator. (Okej, det är inte nytt eftersom vi har gjort experimentet i 20 år… vi har bara försummat att lägga till det i vår lista.)

Vad den visar:

Filtrering av dammpartiklar från luften är ett standardförfarande för att övervaka strålningsnivåer. I experimentet används en laddad ballong för att extrahera stoftet (och eventuella radionuklider som finns på det) från luften. Ballongens strålningsnivå övervakas av en Geigerräknare och halveringstiden för sönderfallsprodukterna observeras.

Hur det fungerar:

Alla tunga grundämnen (Z>83) som finns i naturen är radioaktiva och sönderfaller genom alfa- eller beta-emission. Dessutom tillhör alla naturligt förekommande tunga radionuklider en av tre serier: (1) 238U-Radium, (2) 235U-Actinium och (3) 232Thorium. Alla tre serierna innehåller en gasformig medlem (en isotop av Rn) och avslutas med en stabil isotop av Pb.

Radiumserien börjar med 238U. Uran och dess fem första döttrar är fasta ämnen som stannar kvar i marken, men den femte dottern 226Ra sönderfaller till 222Rn. Denna dotter, som kallas radon, är en ädelgas som inte är kemiskt bunden i det material där dess föräldrar fanns. Halveringstiden för 222Rn (3,82 d) är tillräckligt lång för att en stor del av gasen ska kunna ta sig ut i atmosfären. Radon bildas också i de andra två serierna. Dessa isotoper av radon har dock mindre radiologisk betydelse. Thoriumserien genererar 220Rn, som också kallas thoron. 220Rn har en halveringstid på 56 s och har därför en mycket större chans att sönderfalla innan det blir luftburet. Aktiniumserien producerar 219Rn, även kallad aktinon, efter flera omvandlingar från den relativt sällsynta ursprungliga 235U-nukliden. Dess halveringstid är endast 4 s och dess bidrag till luftburet radon är obetydligt. Vi kommer därför endast att beakta radon från radiumserien. Radons sönderfallskedja är följande:1

Tekniken att använda en ballong för att extrahera radioaktiva ämnen ur luften uppmärksammades av T.A. Walkiewicz.2 Radons dotterprodukter fäster sig vid positivt laddade aerosolpartiklar. Dessa partiklar attraheras lätt av ett negativt laddat objekt (i detta fall en ballong) och bygger därigenom upp en radioaktiv källa med en halveringstid på cirka ?? minuter. Läs vidare för att få veta varför vi anger halveringstiden halveringstid som ?? minuter.

Då vi inte vet i vilken proportion radons dotternuklider har samlats på ballongen, är det inte alls klart vilken halveringstid som har uppmätts. Vi kan dock dra följande slutsatser. För det första är halveringstiden för Po-218 tillräckligt kort för att dess aktivitet kommer att minska kraftigt efter flera minuter och kan helt ignoreras under längre tider än så. På 21 minuter (7 halveringstider) kommer till exempel mängden Po-218 att ha minskat till 1/128 av den ursprungliga mängden. Den radioaktiva ballongens effektiva halveringstid styrs då huvudsakligen av aktiviteterna hos Pb-214 och Bi-214, som har halveringstider på 27 respektive 20 minuter. Om uppgifterna anses bero på en enda effektiv halveringstid beror det fastställda värdet både på de relativa mängderna av dessa isotoper som samlades in från början och på deras sönderfall. Även om ballongen avger alfapartiklar och gammastrålar är majoriteten av den aktivitet som upptäcks av Geigerräknaren betapartiklar från Pb-214 och Bi-214. Gammastrålar har en mycket lägre detektionseffektivitet än betapartiklar för en Geigerräknare, och många alfapartiklar från Po-218 absorberas av ballongen, den mellanliggande luften och Geigerrörets vägg. Därför kan det hända att du upptäcker att tomten för det radioaktiva sönderfallet faktiskt ökar (CPM stiger) under de första 20 minuterna eller så, att den planar ut och sedan minskar. Detta till synes märkliga beteende kan tillskrivas det faktum att strålningsmätaren inte är lika känslig för sönderfallet av Po-218, men när mängden Pb-214 ökar (på grund av sönderfallet av Po-218) ökar räknefrekvensen eftersom mätaren är känslig för sönderfallet av Pb-214. Detektorns ”dödtid” har inte mätts och kan också ha en effekt. Sammanfattningsvis är mätningen av den effektiva halveringstiden inte alls en ”ren” mätning. Med detta sagt är följande en skärmdump av en faktisk 1,5 timmes körning i föreläsningssal A.

Binningen på den horisontella skalan är 3 sekunder, så de 1 500 räkningarna på den vertikala skalan motsvarar häpnadsväckande 30 000 cnts/min. Bakgrundshastigheten var cirka 65 cnts/min, så den ursprungliga ballongaktiviteten var över 460 gånger större än bakgrundshastigheten! Räknefrekvensen sjönk till hälften av det ursprungliga värdet efter cirka 3 000 sekunder, eller 50 minuter. Det är tydligt att det uppmätta sönderfallet inte är av exponentiell karaktär under de första 1,5 timmarna, så det är komplicerade saker som pågår.

Nästa skärmdump är en 12-timmarskörning för att se om det uppmätta sönderfallet ser mer exponentiellt ut i det långa loppet (binning här är 5 sekunder).

På något sätt låg den här körningen närmare det man skulle kunna förvänta sig: från och med cirka 45 minuter in i körningen tycks halveringstiden vara cirka 38 minuter. Den sjunker till cirka 35 minuter under timmarna därefter, vilket fortfarande är betydligt större än vad man skulle kunna förvänta sig av Pb-214 och Bi-214, som har halveringstider på 27 respektive 20 minuter. Efter 17 timmar var aktiviteten fortfarande cirka 150 cpm, eller ungefär dubbelt så mycket som bakgrunden.

För att hjälpa till att dechiffrera den märkligt långa halveringstid som observerats upprepades experimentet och ballongen placerades i en NaI-scintillationsspektrometer. Fem mycket starka gammatoppar observerades. Två av dem identifierades som gammastrålar associerade med Pb-214 (353 keV) och Bi-214 (609 keV) sönderfall, båda döttrar till radon. Å andra sidan var en stark topp på 239 keV troligen orsakad av Pb-212, en dotter till toron. Pb-212 sönderfaller till Bi-212 genom β-emission (0,346 MeV) och har en halveringstid på 10,6 timmar (detaljer ges i demonstrationen av Thorons sönderfall nedan). Även om thoron har en halveringstid på endast 56 sekunder kommer tydligen tillräckligt mycket ut från marken så att dess avkomma också samlas in av ballongen. Ytterligare en anmärkning: den 727 keV-gamma som är förknippad med sönderfallet av Bi-212 (halveringstid = 60,6 min) observerades inte. Endast 7 % av sönderfallen avger denna gamma och följaktligen var dess signatur för svag för att synas i bakgrunden.

Att sätta upp det:

Häng upp en ballong med en diameter på 12 tum på ett sådant sätt att den är relativt långt borta från allt runt omkring, eftersom den lätt dras till allt inom räckhåll. Ladda ballongen genom att gnugga den med kaninpäls och låt den stå ostörd i cirka 30 minuter. Ballongen tas sedan bort från snöret och töms försiktigt på luft genom att man sticker ett hål i uppblåsningsänden. Den plattas sedan ut på bordet och en Geiger-Mueller-mätare3 placeras ovanpå. Utgången från räknaren är ansluten till en iMac via ett Vernier LabQuest-gränssnitt. Logger Pro-programvaran (radon_daughter.cmbl) visar de inkommande räkningarna i förhållande till tiden, ungefär som en flerkanalsskalare. Den initiala räkningsfrekvensen är förvånansvärt hög – över 460 gånger högre än bakgrundsfrekvensen. Vi tar vanligtvis data i 1 timme eller mer. Därför är det bäst att ladda ballongen 1/2 timme före lektionen om man vill se ett eller två halveringstider i sönderfallet.

Luftburet radon i sig utgör liten hälsorisk. Som en inert gas hålls inandad radon inte kvar i betydande mängder i kroppen – den fastnar inte på väggarna i andningsvägarna eller djupt inne i lungorna. Den potentiella hälsorisken uppstår när radon i luften sönderfaller och producerar icke-gasformiga radioaktiva döttrar – döttrarna är reaktiva tungmetaller som snabbt fastnar på saker i rummet, t.ex. möbler eller, när det gäller rumsluft, rök, vattenånga eller damm, som ofta kollektivt kallas aerosoler. I denna form kan dessa radioaktiva partiklar dras in i luftvägarna eller djupt ner i lungorna. När en alfapartikel sänds ut i lungan deponerar den då all sin energi lokalt inom en liten tjocklek av den intilliggande vävnaden. En betapartikel som avges deponerar sin energi över ett mycket större avstånd på cirka 4 mm.5

1. F.W. Walker, D.G. Miller och 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 (september 1995). I en tidigare artikel av J.C. Cowie, Jr. och T.A. Walkiewicz, ”Radioactiveball,” TPT 30, 16-17 (jan 1992) mättes radioaktiviteten i en handboll, efter att den hade varit i spel i 50 minuter.

3. Räknaren är modellen Radalert Inspector från International Medcom. Den har ett relativt stort fönster (1,75″ dia) med en densitet på 1,5-2,0 mg/cm2, vilket är idealiskt för denna tillämpning. Den dubbla miniatyrutgången driver CMOS- eller TTL-enheter och skickar räkningar till en dator eller datalogger.

4. Enligt specifikationsbladet är Inspector endast cirka 36 % effektiv när det gäller att detektera alfa, medan den är 65 % effektiv när det gäller att detektera 1 MeV-beta (från Bi-214) och 80 % effektiv när det gäller att detektera 3 MeV-beta (från Pb-214).

5. Se M. Lafavore, Radon, (Rodale, Emmaus PA, 1987) och J.E. Turner, Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed (Wiley & Sons, NY, 1995) för mer information.