FJ.7 WYZNACZANIE STĘŻENIA RADONU W POMIESZCZENIACH ZAMKNIĘTYCH Irena Jankowska - Sumara
I. 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.
II. Wymagania do kolokwium:
1. Rozpad promieniotwórczy. Prawa, rodzaje rozpadu, czas połowicznego zaniku.
1. Rozpad promieniotwórczy. Prawa, rodzaje rozpadu, czas połowicznego zaniku.
2. Aktywność źródła promieniotwórczego.
3. Rodziny promieniotwórcze. Aktywność.
III. Literatura zalecana:
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 5) https://radon.ifj.edu.pl
6) http://chemfan.pg.gda.pl/Publikacje/Radon.html
IV. Wstęp teoretyczny:
1. Co to jest radon?
W skorupie ziemskiej można znaleźć śladowe ilości izotopów promieniotwórczych, których czas połowicznego zaniku jest porównywalny z wiekiem Ziemi (ok.109 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)
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.
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 -71oC temperatura wrzenia -68oC temperatura wrzenia -68oC gęstość gazu (warunki normalne) 9,73 g/dm3 gęstość cieczy w temp. wrzenia 4,4 g/cm3 gęstość ciała stałego 4,0 g/cm3
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.
223Ra �219Rn T1/2=4s
224Ra �220Rn T1/2=58s
226Ra �222Rn 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:
szeregi, z czego 3 występują naturalnie w przyrodzie:
1) torowy- rozpoczyna się232Th. W szeregu tym powstaje220Rn zwany dawniej emanacją torową lub toronem, o okresie półrozpadu 54,5s.
2) uranowo-aktynowy- rozpoczyna się235U. W szeregu tym powstaje 219Rn zwany emanacją aktynową lub aktynonem, o okresie półrozpadu 3,9s.
3) uranowo-radowy- rozpoczyna się238U. W szeregu tym powstaje222Rn w wyniku rozpadu alfa izotopu radu 226Ra. 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.
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/m3 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 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/m3.
Bekerel, 1 Bq - jednostka aktywności promieniotwórczej preparatu.
1 Bq odpowiada zachodzeniu jednego rozpadu promieniotwórczego w ciągu 1 sekundy.
1 Bq222Rn odpowiada 1,7-16g 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 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/m3. Łatwo zauważyć, że stężenie radonu w pomieszczen iach jest większe od stężenia
w powietrzu atmosferycznym. Istnieją obszary położone w województwach jeleniogórskim i wałbrzyskim, gdzie prawdopodobieństwo znalezienia domów o stężeniach przekraczających 200 Bq/m3jest 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 zawar tych 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.
-Równolegle z wyżej omówionymi procesami nastę pują 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 Powietrze atmosferyczne zawiera bardzo dużo zawieszonych w nim pyłów o rozmiarach od około 0.001�m 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 1�m) zatrzymywane są w nosie i krtani, natomiast w oskrzelach osadzają się pyły o mniejszych średnicach tj. od 0.1-1�m. 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 rozgał ęzieniach oskrzeli. Pyły wraz Osadzanie to zachodzi w największym stopniu przy rozgał ęzieniach 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 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 reakc je 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 prz ewodu pokarmowego, zaburzenia w przemianie białkowej, szybkie unieczynnienie się niektórych enzymów i wzrost aktywności 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,
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 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 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 s truktury ma bardzo małą średnicę, którą można uwidocznić poprzez odpowiednie trawienie chemiczne.
Powstają wtedy ślady widoczne pod mikroskopem. Na czas pomiaru małą plastykową
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.
V. 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.
Poniższa tabela przedstawia oznaczenia poszczególnych detektorów.
Miejsce Detektor
p. 4p piwnica �19 p. 414 IV piętro �21 p. 515 V piętro �20 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.
VI. 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. 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 wcm2.
VII. 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:
��
�
��
�
�
�
� �
h kBq cm
m k ślad2
3
4 2,
Szukane stężenie radonu wyraża się wzorem:
��
�
��
�
� � 3
m kBq t k S L
�
�t � m k gdzie:
S- stężenie radonu w kBq/m3;
L- liczba śladów cząstek alfapo odjęciu tła przypadająca na 1 cm2; k- współczynnik kalibracji;
t- czas ekspozycji wyrażony w godzinach.
t= 24.03.1998 ÷ 2.10.1998 = xdni ·24 godz. = Xh t= 24.03.1998 ÷ 2.10.1998 = 192dni ·24 godz. = 4608h Pole koła :
4 d2
P��
d= 0,53 mm = 0,053 cm d= 0,53 mm = 0,053 cm
� �
22
0022 4 0
0028 140
4 3 053 140
3 cm
P , ,
, ,
, � �
�
Pole 50 kół: 50 � 0,0022 cm2= 0,11cm2 Liczba śladów cząstek alfapo odjęciu tła = � przeliczamy na 1 cm2
0,11 cm2 � � 1 cm2 � L 1 cm2 � L
11 0
1 ,
��� L
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:
Współczynnik ten jest równy:
��
�
��
�
�
�
� �
h kBq cm
m k ślad
2
3
4 2,
��
�
��
�
�
�
� �
h kBq cm
m k ślad
2 3
4 2,
Szukane stężenie radonu wyraża się wzorem:
�
� L �kBq
S �
�
�
��
�
� �
m3
kBq t k S L
gdzie:
S - stężenie radonu w kBq/m3;
L - liczba śladów cząstek alfapo odjęciu tła przypadająca na 1 cm2; k - współczynnik kalibracji;
t - czas ekspozycji wyrażony w godzinach.
t = 24.03.1998 ÷ 2.10.1998 = xdni ·24 godz. = Xh t = 24.03.1998 ÷ 2.10.1998 = 192dni ·24 godz. = 4608h
Pole jednego kwadratu : 0,046 cm � 0,046 cm = 0,0021 cm2 Pole jednego kwadratu : 0,046 cm � 0,046 cm = 0,0021 cm pole 50 kwadtatów: 50 � 0,0021 cm2= 0,105cm2 Liczba śladów cząstek alfa po odjęciu tła = �
przeliczamy na 1 cm2
0,105 cm2 � � 1 cm2 � L
105 0
1 ,
� �� L 0,105
