1 II PRACOWNIA FIZYCZNA: WYZNACZANIE STĘŻENIA RADONU W POMIESZCZENIACH ZAMKNIĘTYCH Irena Jankowska - Sumara Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stężenia radonu w trzech róż nych pomieszczeniach budynku: w piwnicy, w pomieszczeniach pracowni i na V piętrze (w sekretariacie Instytutu). W celu wyliczenia stężenia radonu w poszczególnych pomieszczeniach korzystamy ze współczynnika kalibracji wyznaczonego przy użyciu źródła radonu o znanej aktywności. Zagadnienia do opracowania 1. Rozpad promieniotwórczy. Prawa, rodzaje rozpadu, czas połowicznego zaniku. 2. Aktywność źródła promieniotwórczego. 3. Rodziny promieniotwórcze. Aktywność. Zalecana literatura 1) A. Strzałkowski - Wstęp do fizyki jądra atomowego, PWN 1978. 2) I.W. Sawieliew - Kurs fizyki t.3, PWN W-wa 1989. 3) M. Siemiński - Fizyka zagrożeń środowiska, PWN, W -wa 1994. 4) Promieniotwórczy radon, Państwowa Agencja Atomistyki, W -wa 1993. 5) https://radon.ifj.edu.pl 6) http://chemfan.pg.gda.pl/publikacje/radon.html
2 II PRACOWNIA FIZYCZNA: Wstęp 1. Co to jest radon? W skorupie ziemskiej można znaleźć śladowe ilości izotopów promieniotwórczych, których czas połowicznego zaniku jest porównywalny z wiekiem Ziemi (ok.10 9 lat) oraz izotopy promieniotwórcze, które są ich produktami rozpadu. Do najważ niejszych izotopów nalezą U- 238 i Th-232, które dają początek rodzinie uranowej i torowej. W każdej z nich występuje po kilkanaście izotopów różnych pierwiastków wśród których są również izotopy radonu. Obydwie rodziny promieniotwórcze są przedstawione na Rys.1. a)
3 II PRACOWNIA FIZYCZNA: b) Rys. 1. Szereg uranowy (a) i torowy (b). Wszystkie izotopy należące do nich występują w przyr odzie w postaci ciał stałych, z wyjątkiem radonu, który występuje w postaci gazowej. Radon jest pierwiastkiem promieniotwórczym o liczbie atomowej 86, należącym do grupy helowców. Jest najcięższym gazem szlachetnym, bezbarwnym, bezwonnym i bez smaku. Dobrze rozpuszcza się w wodzie, słabo w rozpuszczalnikach organicznych i amoniaku. Oziębiony poniżej temperatury krzepnięcia tworzy nieprzezroczyste kryształy i świeci brylantowo-niebieskim światłem. Tab. 1 Właściwości fizyczne radonu. temperatura topnienia -71 o C temperatura wrzenia -68 o C gęstość gazu (warunki normalne) 9,73 g/dm 3 gęstość cieczy w temp. wrzenia 4,4 g/cm 3 gęstość ciała stałego 4,0 g/cm 3
4 II PRACOWNIA FIZYCZNA: Obecnie znanych jest 30 izotopów tego pierwiastka o lic zbach masowych od 198 do 227, a zatem zawierających w jądrze 86 protonów i od 112 do 141 neutronów. Wszystkie izotopy radonu są promieniotwórcze, o różnych okresach półrozpadu: od mikrosekund do kilku dni. Większość z nich jest wytworzona sztucznie, a jedynie 3 występują naturalnie w przyrodzie. 223 Ra 219 Rn T1/2=4s 224 Ra 220 Rn T1/2=58s 226 Ra 222 Rn T1/2=3,8d Ze względu na krótki czas połowicznego zaniku dwa pierwsze izotopy nie stanowią zagrożenia z biologicznego punktu widzenia. Powstają one z ciężkich pierwiastków zawartych w skałach, w wyniku następujących po sobie rozpadów typu alfa lub beta. Kolejne produ kty tych przemian tworzą tzw. szereg promieniotwórczy. Szereg taki rozpoczyna się długożyciowym izotopem promieniotwórczym, a kończy izotopem trwałym. Znane są 4 szeregi, z czego 3 występują naturalnie w przyrodzie: 1) torowy - rozpoczyna się 232 Th. W szeregu tym powstaje 220 Rn zwany dawniej emanacją torową lub toronem, o okresie półrozpadu 54,5s. 2) uranowo-aktynowy - rozpoczyna się 235 U. W szeregu tym powstaje 219 Rn zwany emanacją aktynową lub aktynonem, o okresie półrozpadu 3,9s. 3) uranowo-radowy - rozpoczyna się 238 U. W szeregu tym powstaje 222 Rn w wyniku rozpadu alfa izotopu radu 226 Ra. Z tego powodu nazwano go emanacją radową lub radonem (po odkryciu, że toron, aktynon i radon to izotopy tego samego pierwiastka, nazwę radon rozszerzono na wszystkie izotopy). M a on najdłuższy okres półrozpadu wynoszący 3,823 dnia. Rys. 2. Przemieszczanie się radonu w glebie.
5 II PRACOWNIA FIZYCZNA: Wędrówkę radonu z gleby do atmosfery można podzielić na dwa etapy: 1) uwalnianie się radonu z ziaren i skał do pęknięć i szczelin, 2) migracja uwolnionego radonu do powietrza atmosferycznego. ad 1. powstający w wyniku rozpadu radu-226 radon-222 uzyskuje energię około 90keV pozwalająca na wydostanie się z ziaren mineralnych do szczelin w porowatym środowisku gleby lub skał. Stężenie radonu w skorupie ziemskie j waha się w granicach 7-200kBq/m 3 i zależy silnie od budowy geologicznej. Największe stężenia notuje się w przypadku granitów. ad 2. Migracja radonu może odbywać się na różnych drogach: a) poprzez dyfuzję b) poprzez konwekcję (radon przemieszcza się z masą p owietrza) c) z wodą - łatwo się w niej rozpuszcza d) z gazem ziemnym i z metanem. Wszystkie te sposoby transportu mogą być spotęgowane przez ruchy tektoniczne, w wyniku których może dojść do powiększenia lub powstania nowych szczelin. Wzrost stężenia radonu w glebie jest wykorzystywany w prognozowaniu trzęsień Ziemi. Radon w atmosferze. Głównym źródłem radonu atmosferycznego jest gleba. Stężenie radonu w atmosferze zależy od rodzaju gleby, ale także od panującego ciśnienia, temperatury, od siły i kierunku wiatru i innych parametrów wpływających na warunki klimatyczne. Średnie stężenie radonu w dolnych warstwach atmosfery wynosi około 10Bq/m 3. Bekerel, 1 Bq - jednostka aktywności promieniotwórczej preparatu. 1 Bq odpowiada zachodzeniu jednego rozpadu promieniotwórczego w ciągu 1 sekundy. 1 Bq 222 Rn odpowiada 1,7-16 g tego gazu. Radon w budynkach mieszkalnych Głównym źródłem radonu w pomieszczeniach i budynkach jest gleba bezpośrednio przylegająca do fundamentów. Różnica temperatur miedzy budynkiem, a glebą powoduje wysysanie radonu z gruntu. Z pomiarów wynika, że wraz ze wzrostem wysokości kondygnacji, maleje stężenie radonu pochodzącego z gleby. Innym źródłem radonu może być używany w gospodarstwach domowych gaz ziemny, a także woda. Średnie stężenia radonu w mieszkaniach wahają się na świecie w bardzo szerokim przedziale. Z dotychczasowych, niepełnych badań wykonanych w Polsce wynika, że średnie stężenie wynosi około 50Bq/m 3. Łatwo zauważyć, że stężenie radonu w pomieszczen iach jest większe od stężenia
6 II PRACOWNIA FIZYCZNA: w powietrzu atmosferycznym. Istnieją obszary położone w województwach jeleniogórskim i wałbrzyskim, gdzie prawdopodobieństwo znalezienia domów o stężeniach przekraczających 200 Bq/m 3 jest znacznie wyższe niż w pozostałej części kraju. Rys. 3. Drogi przenikania Radonu do budynku. W warunkach klimatycznych Polski występuje bardzo widoczny wpływ pór roku na stężenie radonu w budynkach. Jest to spowodowane częstszym otwieraniem okien w porze letniej. Oddziaływanie pochodnych radonu ze składnikami powietrza W wyniku konkurencyjnych procesów wnikania i usuwania ustala się pewien poziom stężenia radonu. Radon jako gaz szlachetny nie reaguje ze składnikami powietrza, a jedynie rozpada się poprzez rozpad alfa. Produkty rozpadu radonu zachowują się zup ełnie odmiennie. - Powstały w wyniku rozpadu Po -218 występuje z reguły jako jon dodatni. Łączy się z cząsteczkami gazów i pary wodnej tworząc maleńkie zbitki, które w czasie 0.1s rekombinują z jonami ujemnie naładowanymi. Część atomów polonu pozostaje nie związana. - W drugim etapie trwającym 10-100s pewien procent zbitek przyczepia się do zawartych w powietrzu pyłów o typowej średnicy 50-500nm, tworząc promieniotwórcze aerozole. Część zbitek pozostaje nie przyczepiona. -Obie frakcje, zarówno cząsteczki nie przyczepione do aerozoli, jak i radioaktywne aerozole wędrują z ruchami powietrza. Część z nich osadza się na ścianach pomieszczenia, zaś część jest wdychana do płuc.
7 II PRACOWNIA FIZYCZNA: -Równolegle z wyżej omówionymi procesami następują rozpady promieniotwórcze i powstają kolejne izotopy: Pb-214, Bi-214, Po-214, Pb-210 itd. (rys.1). Ich los jest podobny do losu Po-218. Ryzyko zdrowotne Powietrze atmosferyczne zawiera bardzo dużo zawieszonych w nim pyłów o rozmiarach od około 0.001m do dziesiątków mikrometrów. Pochodne radonu występują w powietrzu w postaci związanej z pyłami i aerozolami albo jako wolne radioaktywne cząsteczki. Ilość związanych produktów zależy w dużym stopniu od stężen ia i rodzaju pyłów i aerozoli w powietrzu takich jak na przykład dym tytoniowy. W procesie oddychania powietrze wraz z radonem i zawieszonymi pyłami jest zasysane przez nos lub usta do płuc. Pyły o największej średnicy (ponad 1m) zatrzymywane są w nosie i krtani, natomiast w oskrzelach osadzają się pyły o mniejszych średnicach tj. od 0.1-1m. Po czasie około 1s gazy, a więc powietrze i radon jest usuwane na zewnątrz, natomiast pyły, a wraz z nimi produkty rozpadu radonu osadzają się w płucach na śluzie, którymi pokryte są wewnętrzne ściany dróg oddechowych. Osadzanie to zachodzi w największym stopniu przy rozgałęzieniach oskrzeli. Pyły wraz z pochodnymi przebywają w miejscu osadzenia przez okres wielu godzin lub dni, a więc znacznie dłużej niż wynosi ich okres półrozpadu. Rozpad pochodnych radonu na ściankach płuc i oskrzeli ma zasadniczy udział w wielkości dawki na którą narażone są drogi oddechowe. Sam Radon-222 wnosi nieznaczny wkład do tej dawki dlatego, że w postaci gazowej nie przyczepia się do ścian układu i usuwany jest stosunkowo szybko z organizmu. Działanie promieniowania Z punktu widzenia skutków biologicznych szczególnie szkodliwe są cząstki alfa. Przyczyną tego jest ogromna gęstość jonizacji. Cząstka alfa obdarzona jest dodatnim ładunkiem elektrycznym, dwukrotnie większym od ładunku elektronu, a masa jej jest około 8000 raz y większa od masy elektronu. Cząstka alfa o energii kilku MeV traci całą tę energię w tkance na drodze o długości kilkudziesięciu mikrometrów. Promienie jonizujące działają szkodliwie na organizmy żywe, gdyż w wyniku jonizacji zostają zapoczątkowane reakcje chemiczne, powodujące m.in. poważne zmiany w budowie substancji organicznych komórki, decydujących o jej życiu i roz woju, w wyniku czego zachodzą w organizmie poważne zmiany uszkadzające. Jonizacja wywołuje zaburzenia biochemiczne spowodowane zmianą składu chemicznego i mechanizmu przemiany materii. Stwierdzono upośledzone wchłanianie tłuszczu z przewodu pokarmowego, zaburzenia w przemianie białkowej, szybkie unieczynnienie się niektórych enzymów i wzrost aktywności innych, upośledzoną syntezę kwasu dezoksyrybonukleinowego, jednego z podstawowych składników wszystkich komórek. Jest ono szczególnie szkodliwe dla krwi, komórek narząd ów rozrodczych i komórek młodych. Może wywoływać złośliwienie procesów rozmnażania komórek, prowadzące do powstawania nowotworów złośliwych, np. raka skóry, kości lub narządów wewnętrznych. Promienie alfa, beta, gamma wywołują również oparzenia skóry,
8 II PRACOWNIA FIZYCZNA: podobne do termicznych, z takimi objawami, jak rumień, pęcherze i martwica, ale znacznie trudniejsze do wygojenia. Rys. 4. Źródła promieniowania jonizującego występujące w otaczającym nas środowisku i ich wkład do średniej rocznej dawki efektywnej wg [M.Biernacka, Radiologiczny atlas Polski 2005, Główny Inspektorat Ochrony Środowiska, 2006]. Metody pomiaru stężenia Radonu Aby ustalić poziom radonu w danym miejscu należy zmierzyć stężenie radonu w powietrzu wewnątrz pomieszczeń. Pomiaru stężenia radonu dokonuje się często za pomocą niewielkich czujników wykonanych z tworzyw sztucznych, które umieszcza się w domu na okres kil ku tygodni, aby prawidłowo zmierzyć średnie stężenie radonu. W przypadku większości pomiarów stężenia radonu wspomniane czujniki należy następnie przekazać do laboratorium w celu przeprowadzenia analizy. Metody pomiaru stężenia radonu opierają się na detek cji promieniowania związanego z rozpadem promieniotwórczym. Do tych metod należą: 1) Monitoring poprzez pobieranie próbek powietrza zawierającego radon. Do takich pomiarów stosuje się cylindryczne naczynie, którego ścianki pokryte są scyntylatorem. Próbkę powietrza pobiera się do cylindra, a następnie łączy się optycznie z fotopowielaczem współpracującym z układem zliczającym. 2) Pojemnik z węglem aktywnym używany do zbierania radonu to szczelnie zamykane naczynie o średnicy około 10 cm wypełnione węglem aktywnym, który z chwilą otwarcia pojemnika absorbuje radon z powietrza. 3) Detektory śladowe wykorzystują zjawisko naruszania struktury niektóryc h rodzajów ciał stałych w wyniku oddziaływania z cząstkami alfa. Naruszenie tej struktury ma bardzo małą średnicę, którą można uwidocznić poprzez odpowiednie trawienie chemiczne. Powstają wtedy ślady widoczne pod mikroskopem. Na czas pomiaru małą plastykową
9 II PRACOWNIA FIZYCZNA: płytkę umieszcza się w niewielkim pojemniczku. Radioaktywne atomy radonu, zderzając się z płytką zostawiają ślady widoczne dopiero po obróbce chemicznej we właściwym laboratorium. Ślady te zostają zliczone i na tej podstawie można ocenić stężenie radonu w danym w pomieszczeniu. Rys. 5. Schemat płytek po ekspozycji na radon. Płytka znajdująca się w pojemniku umieszczona zostaje w miejscu pomiaru i po ekspozycji trwającej od kilku tygodni do kilku miesięcy wraca do laboratorium gdzie poddana jest trawieniu w roztworze NaOH, a uwidocznione w ten sposób ślady zliczane są pod mikroskopem. Sposób realizacji ćwiczenia Wykonanie ćwiczenia. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie stężenia radonu w trzech różnych pomieszczeniach budynku Uniwersytetu Pedagogicznego, a mianowicie: w piwnicy, w pomieszczeniu II Pracowni Fizycznej (p. 414) i w sekretariacie Instytutu Fizyki (p. 515). Detektory plastikowe umieszczone zostały w ww. pomieszczeniach na okres około pół roku tj. od 24.03.1998 do 02.10.1998. Materiałem plastikowym był CR-39 (allyl diglycol carbonate - ADC) produkowany przez angielską firmę Pershore. Po upł ywie podanego wyżej czasu ekspozycji, detektory zostały poddane obróbce w Samodzielnej Pracowni Ochrony przed Promieniowaniem Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie.
10 II PRACOWNIA FIZYCZNA: Poniższa tabela przedstawia oznaczenia poszczególnych detektorów. Miejsce Detektor p. 4p piwnica 19 p. 414 IV piętro 21 p. 515 V piętro 20 tło 22 Pozycja oznaczona tło, określa materiał detekcyjny, poddany obróbce w dniu 24.03.1998, czyli w dniu rozpoczęcia ekspozycji w naszym budynku. Tok postępowania: 1) Przestudiować planszę PAA pt. Radon i sporządzić notatki do sprawozdania. 2) Umieścić jeden z detektorów pod mikroskopem i przy powiększeniu obiektywu równym 20, dobrać warunki obserwacji tak, by otrzymać wyraźny obraz śladów cząsteczek alfa. Policzyć liczbę śladów cząstek w 50. polach obserwacyjnych. 3) Powtórzyć pkt. 2 dla pozostałych dwu detektorów, a także dla detektora, na którym zarejestrowane jest tło. 4) Korzystając ze szkiełka mikrometrycznego, wyposażonego w podziałkę (1 mm podzielony na 100 części - 1 część 0,01mm), obliczyć pole powierzchni obserwacyjnej, a następnie pole sumarycznej powierzchni obserwacyjnej i wyrazić je w cm 2. Opracowanie wyników. W celu wyliczenia stężenia radonu w poszczególnyc h pomieszczeniach, korzystamy z podanego przez Samodzielną Pracownię Ochrony przed Promieniowaniem IFJ współczynnika kalibracji k, wyznaczonego przy użyciu źródła radonu o znanej aktywności. Współczynnik ten jest równy: Szukane stężenie radonu wyraża się wzorem: 3 ślad m k 2,4 2 cm kbq h gdzie: S L k t kbq m 3 S - stężenie radonu w kbq/m 3 ; L - liczba śladów cząstek alfa po odjęciu tła przypadająca na 1 cm 2 ; k - współczynnik kalibracji; t - czas ekspozycji wyrażony w godzinach.
11 II PRACOWNIA FIZYCZNA: t = 24.03.1998 2.10.1998 = x dni 24 godz. = X h t = 24.03.1998 2.10.1998 = 192 dni 24 godz. = 4608 h Pole koła : 2 d P 4 Pole 50 kół: 50 0,0022 cm 2 = 0,11 cm 2 Liczba śladów cząstek alfa po odjęciu tła = przeliczamy na 1 cm 2 d = 0,53 mm = 0,053 cm 2 0, 053 0, 0028 P 3, 14 314, 0, 0022 cm 4 4 0,11 cm 2 1 cm 2 L 1 L 0, 11 Opracowanie wyników. W celu wyliczenia stężenia radonu w poszczególnyc h pomieszczeniach, korzystamy z podanego przez Samodzielną Pracownię Ochrony przed Promieniowaniem IFJ współczynnika kalibracji k, wyznaczonego przy użyciu źródła radonu o znanej aktywności. 2 Współczynnik ten jest równy: 3 ślad m k 2,4 2 cm kbq h 3 ślad m k 2,4 2 cm kbq h Szukane stężenie radonu wyraża się wzorem: gdzie: S L k t kbq m 3 S - stężenie radonu w kbq/m 3 ; L - liczba śladów cząstek alfa po odjęciu tła przypadająca na 1 cm 2 ; k - współczynnik kalibracji;
12 II PRACOWNIA FIZYCZNA: t - czas ekspozycji wyrażony w godzinach. t = 24.03.1998 2.10.1998 = x dni 24 godz. = X h t = 24.03.1998 2.10.1998 = 192 dni 24 godz. = 4608 h Pole jednego kwadratu : 0,046 cm 0,046 cm = 0,0021 cm 2 pole 50 kwadtatów: 50 0,0021 cm 2 = 0,105 cm 2 Liczba śladów cząstek alfa po odjęciu tła = przeliczamy na 1 cm 2 0,105 cm 2 1 cm 2 L 1 L 0,105,