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Rilevare il Radon con un Palloncino

Questo esperimento è stato descritto per la prima volta da Austen e Brouwer (1997). Può essere utilizzato per dimostrare come l’aria intorno a noi contenga naturalmente  piccole percentuali di materiali radioattivi, i quali obbediscono alla legge esponenziale del decadimento radioattivo. E’ inoltre una dimostrazione che il nostro ambiente presenta bassi (ma non nulli) livelli di radioattività, principalmente dovuti al gas Radon, ai quali siamo continuamente esposti.
L’esperimento consiste nel gonfiare un palloncino, chiudere la sua apertura con una graffetta e sospenderlo in qualche punto in una stanza, meglio se in cantina o in garage. Non deve essere posto in alto e preferibilmente lontano da correnti d’aria. Il palloncino va strofinato energicamente per qualche istante con un panno di lana affinchè si carichi elettrostaticamente. Il palloncino va lasciato sospeso in aria per circa 30 minuti, come mostrato nella figura a lato.

Predisponete un contatore Geiger con un tubo GM. Noi abbiamo utilizzato il modello LND 712 (α,β,γ) con un Theremino Geiger Adapter ed il software Theremino Geiger Counter. Abbiamo posizionato il tubo GM all’interno di un pozzetto schermato con piombo in modo da ridurre la radiazione di fondo.

Fate attenzione alla finestra di ingresso del tubo GM, che non va mai toccata, dato che è molto fragile e si può danneggiare facilmente. Registrate il conteggio di background per almeno 1 minuto.
Indossate un paio di guanti usa-e-getta e recuperate il palloncino, lo sgonfiate togliendo la graffetta, e lo mettete all’interno del pozzetto schermato per effettuare la misurazione. Fate in modo che il palloncino non entri in contatto con la finestra del tubo GM al fine di evitare contaminazioni.

Fate le misurazioni di attività con un conteggio medio su finestra temporale di 1 minuto. Il risultato sarà sbaloriditivo : da un valore inferiore a 0.1 μSv/h si passa ad un valore di 10 μSv/h, cento volte maggiore del livello base ! Continuate a fare la misurazione ad intervalli di 1 minuto e tracciate in un grafico il conteggio medio in funzione del tempo. Nella figura sotto riportiamo il risultato del conteggio durato circa 24h.

La causa della contaminazione  radioattiva del palloncino

La radioattività proviene dai prodotti del decadimento del radon. Il radon, a sua volta, viene generato dalla catena di decadimento dell’uranio e del torio naturalmente presenti nell’ambiente. Le misure fatte da Austen e Brouwer hanno chiarito che la maggior parte della radioattività è dovuta agli isotopi Pb214 e Bi214, entrambi appartenenti alla progenie del Rn222 (radon), e dagli isotopi Pb212 e Bi212, appartenenti alla progenie del Rn220 (thoron). L’isotopo Pb214 ha emivita di 26.8 minuti, il Bi214 di 19.7 minuti, il Pb212 10.6 ore mentre il Bi212 di 61 minuti.
Registrando ad intervalli regolari i conteggi su tempi di integrazione di 1 minuto, senza modificare il setup di misura, si dovrebbe ottenere un rateo di conteggio progressivamente decrescente. Il decadimento iniziale è approssimativamente esponenziale. La curva iniziale di decadimento, principalmente dal decadimento del Pb214 e Bi214, restituisce una emivita media di circa 50 minuti. Se c’è sufficiente attività sul palloncino anche dopo 24 ore, il decadimento della progenie del Rn220, gli isotopi Pb212 e Bi212, diventa predominante e restituisce una emivita media di circa 11 ore, come mostrato nei grafici sotto.
Al termine della misura, il palloncino va gettato, il pozzetto va pulito e vanno lavate le mani.

Il software genera un file di log con tutti i dati misurati. Questi dati possono essere inseriti in un foglio di calcolo come excel che permette la produzione dei seguenti grafici :

Mediante la funzionalità di excel “linea di tendenza” e scegliendo l’opzione tendenza esponenziale, l’equazione esponenziale che meglio approssima l’andamento dei dati può essere calcolata ed inserita nel grafico (Figure sotto). La costante di tempo del decadimento e la conseguente emivita può essere determinata dall’esponente della base e. Nella prima parte della curva di decadimento (decadimento isotopi Pb214 + Bi214) la emivita si ottiene dalla seguente relazione: ln(2)/−0.015 = 46.2 minuti, mentre per la coda della curva (decadimenti Pb212 + Bi212) si ottiene ln(2)/0.0009 = 12.8 ore. Questi dati sono in buon accordo con i valori veri delle costanti di decadimento.

Spettroscopia Gamma del palloncino …

Se si dispone di uno spettrometro gamma si può effettuare la spettrometria del palloncino “contaminato” allo scopo di verificare se e quali sono gli isotopi presenti. Dopo aver sgonfiato il palloncino, questo va inserito in una busta di plastica in modo da evitare contaminazioni del sensore. Noi abbiamo utilizzato lo spettrometro gamma DIY descritto nel post : Spettrometria Gamma DIY con il software Theremino MCA.

I risultati sono presentati nei grafici mostrati sotto. Il primo grafico è stato ottenuto senza compensazione per l’allargamento delle linee, mentre nel secondo è stato applicato l’algoritmo di compensazione per avere una maggiore risoluzione e facilitare l’individuazione dei picchi.

Dai grafici risulta evidente la presenza degli isotopi Pb214 e Bi214, inoltre il picco a 240 KeV registra la presenza sia dell’isotopo Pb214 che dell’isotopo Pb212, se fosse presente solo l’isotopo Pb214 il picco sarebbe molto più basso.

Conclusioni

L’utilizzo del palloncino permette, come descritto sopra, l’effettuazione di numerose dimostrazioni sperimentali ad alto valore didattico, come ad esempio :

  • Rilevazione del Radon;
  • Evidenza del decadimento radioattivo;
  • Misura della costante di decadimento;
  • Identificazione di isotopi della catena di uranio e torio;

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