I. ΡΑ ΙΕΝΕΡΓΟ ΡΑ ΟΝΙΟ ( 222 Rn)

Transcript

1 I. ΡΑ ΙΕΝΕΡΓΟ ΡΑ ΟΝΙΟ ( 222 Rn) A. ΦΥΣΙΚΕΣ ΡΑ ΙΕΝΕΡΓΕΣ ΣΕΙΡΕΣ Το Ραδόνιο ( 222 Rn) υπάρχει σε διάφορες ισοτοπικές µορφές, (δηλαδή ίδιο αριθµό πρωτονίων αλλά διαφορετικό αριθµό νετρονίων) από τις οποίες οι σηµαντικότερες είναι τρεις, το ραδόνιο µέλος της φυσικής σειράς του Ουρανίου 238 ( 238 U), το Θορόνιο ( 220 Rn) µέλος της φυσικής σειράς του Θορίου 232 ( 232 Th) και το Ακτινόνιο ( 219 Rn) µέλος της φυσικής σειράς του Ουρανίου 235 ( 235 U). Η συγκέντρωση ακτινονίου και θορονίου στους εσωτερικούς χώρους είναι πολύ µικρή συγκρινόµενη µ αυτήν του ραδονίου, λόγω των µικρότερων χρόνων ηµιζωής ( ) Τ 1/2 που έχουν, δηλαδή ο χρόνος που χρειάζεται για να διασπαστεί η µισή από την αρχική ποσότητα που υπάρχει. Αυτοί είναι 55 δευτερόλεπτα και 4 δευτερόλεπτα αντίστοιχα, ενώ του ραδονίου ο χρόνος ηµιζωής είναι 3.82 ηµέρες. ηλαδή, ένα γυάλινο δοχείο εάν γεµίσει µε ραδόνιο, σε 3.82 ηµέρες θα έχει διασπαστεί µόνο το µισό ραδόνιο. Αλλά τα πρόσφατα θυγατρικά προϊόντα ραδονίου θα είναι επίσης µέσα στο γυάλινο δοχείο, συµπεριλαµβανοµένου του Πολωνίου (Po), του Βισµουθίου (Bi) και του Μολύβδου (Pb). Έτσι, το ακτινόνιο και το θορόνιο διασπώνται γρήγορα και δεν προλαβαίνουν να επηρεάσουν το περιβάλλον ή τον άνθρωπο. Για το λόγο αυτό, όταν µιλάµε για ραδόνιο εννοούµε το 222 Rn. Στα σχήµατα που ακολουθούν παρουσιάζεται η φυσική ραδιενεργός σειρά του Ουρανίου 238 ( 238 U) η οποία περιέχει το Ραδόνιο ( 222 Rn). Το ραδόνιο, όπως φαίνεται είναι το µόνο αέριο στη µεγάλη αυτή σειρά διάσπασης των βαρέων µεταλλικών στοιχείων, καιγιατολόγοαυτόαποτελείµία ιδιοτυπία. Όπως φαίνεται, σε κάθε βήµα αυτής της ραδιενεργούς σειράς ο ατοµικός πυρήνας εκπέµπει σωµατίδια α και β. Επίσης, παρουσιάζεται η φυσική ραδιενεργός σειρά του Ουρανίου 235 ( 235 U) η οποία περιέχει το Ακτινόνιο ( 219 Rn) και η φυσική ραδιενεργός σειρά του Θορίου 232 ( 232 Th) η οποία περιέχει το Θορόνιο ( 220 Rn). 1

2 238 U 234 Th 234 Pa 234 U 230 Th 226 Ra 222 Rn 218 Po 214 Pb 214 Bi 214 Po α β Pb 210 Bi 210 Po 206 Pb ΣΧΗΜΑ 1. Φυσική ραδιενεργός σειρά Ουρανίου 238 ( 238 U). 235 U 231 Th 231 Pa 227 Ac 227 Th 223 Fr 223 Ra 219 Rn 215 Po α β Pb 211 Bi 211 Po 207 Tl 207 Pb ΣΧΗΜΑ 2. Φυσική ραδιενεργός σειρά Ουρανίου 235 ( 235 U). 2

3 232 Th 228 Ra 228 Ac 228 Th 224 Ra 220 Rn 216 Po 212 Pb 212 Bi 212 Po α β Tl 210 Pb ΣΧΗΜΑ 3. Φυσική ραδιενεργός σειρά Θορίου 232 ( 232 Th). 3

4 Β. ΓΕΝΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΓΙΑ ΤΟ ΡΑ ΟΝΙΟ ( 222 Rn) Όταν µία ραδιενεργός (ραδιενεργό στοιχείο είναι το στοιχείο που παράγει ακτινοβολία) ουσία εκπέµπει ακτινοβολία υφίσταται µία πυρηνική διαδικασία, γνωστή µε τοόνοµα διάσπαση, και µεταστοιχειώνει τον εαυτό της σε µία άλλη ουσία. Σε ορισµένες περιπτώσεις οι νέες ουσίες που σχηµατίζονται, τα λεγόµενα θυγατρικά παράγωγα, είναι από µόνα τους ραδιενεργά. Αυτά, ακολούθως, διασπώνται είτε σε κάποιο σταθερό στοιχείο, ή σε ένα άλλο ραδιενεργό στοιχείο. Το Ουράνιο 238 ( 238 U) είναι ο µητρικός πυρήνας µίας µεγάλης αλυσίδας ραδιενεργών ουσιών. Το Ραδόνιο ( 222 Rn) είναι ένα από τα πολλά φυσικά ραδιενεργά ραδιοϊσότοπα (θυγατρικό παραγωγό) ουρανίου 238, αφού και αυτό διασπάται, χάνοντας σωµατίδια α. Το ραδόνιο σχηµατίζεται κατά τη διάσπαση ουρανίου 238 που καταλήγει στο σταθερό µη ραδιενεργό Μόλυβδο 206 ( 206 Pb). Το ραδόνιο προέρχεται από τη ραδιενεργό διάσπαση (ραδιενεργός διάσπαση είναι µία φυσική, αυθόρµητη µέθοδος κατά την οποία ένα άτοµο στοιχείουδιασπάταιή καταρρέει έτσι ώστε να δηµιουργήσει ένα άλλο στοιχείο, χάνοντας πρωτόνια, νετρόνια ή ηλεκτρόνια) Ραδίου 226 ( 226 Ra) που υπάρχει στο χώµα και τα πετρώµατα της Γης µε τον εξής τρόπο: Ra Rn+ He (1) Το Ραδόνιο ( 222 Rn) διασπάται σε Πολώνιο 218 ( 218 Po) ως εξής: Rn Po+ He (2) Το παρακάτω σχήµα δείχνει τη διάσπαση Ραδονίου ( 222 Rn) σε Πολώνιο 218 ( 218 Po) Rn Po 4 2He ΣΧΗΜΑ 4. ιάσπαση Ραδονίου ( 222 Rn) σε Πολώνιο 218 ( 218 Po). 4

5 Το Ραδόνιο ( 222 Rn) είναι ένα φυσικό ραδιενεργό αέριο, άχρωµο, άοσµο και άγευστο. Ανήκει στην οµάδα των ευγενών αερίων και ως εκ τούτου είναι χηµικά αδρανές. Έχει µηδενικό σθένος και ως ευγενές αέριο είναι µονοάτοµο στοιχείοκαι έχει την ευσταθέστερη ηλεκτρονική διαµόρφωση µε συµπληρωµένα τα s και p τροχιακά της εξωτερικής στοιβάδας. Αν το ραδόνιο συγκριθεί µε τα άλλα ευγενή αέρια, το ραδόνιο είναι το βαρύτερο (εννέα φορές πιο βαρύ από τον αέρα), έχει το υψηλότερο σηµείο τήξεως, σηµείο βρασµού, κρίσιµηθερµοκρασία και κρίσιµηπίεση. Το ραδόνιο είναι διαφορετικό από τα άλλα θυγατρικά παράγωγα (ή προϊόντα διάσπασης), διότι είναι αέριο και µπορεί να διαφύγει από το χώµα και τα πετρώµατα του εδάφους, το νερό ή τα οικοδοµικά υλικά και να µολύνει τον αέρα που αναπνέουµε. Είναι διαλυτό στο κρύο νερό, και η διαλυτότητά του ελαττώνεται µε την αύξηση της θερµοκρασίας. Αυτό το χαρακτηριστικό του ραδονίου έχει σαν αποτέλεσµα την απελευθέρωσή του κατά τη διάρκεια δραστηριοτήτων στο σπίτι που σχετίζονται µε τονερό. Τέτοιες είναι το πλύσιµο των πιάτων ή το ντους. Επειδή τα επίπεδα ραδονίου ποικίλουν από µέρος σε µέρος, και επειδή τα κτίρια διαφέρουν ως προς την ευπάθειά τους σχετικά µε τοραδόνιο, είναι σηµαντικό ότι όλα τα κτίρια επηρεάζονται από το ραδόνιο. Χρησιµοποιείται ως πηγή ραδιενέργειας στην ιατρική. Στο ραδόνιο οφείλεται, κυρίως, η φυσική ραδιενέργεια του ατµοσφαιρικού αέρα, γιατί αρχικά σχηµατίζεται µέσα στα πετρώµατα των εδαφών κατά τις πυρηνικές µετατροπές Ουρανίου (U) και Ραδίου (Ra) και κατόπιν από τα πετρώµατα αυτά διαχέεται στην ατµόσφαιρα. Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται οι χαρακτηριστικές σταθερές ραδονίου. Ραδόνιο Radon ( 222 Rn) Ατοµικός αριθµός (Z) = 86 Μαζικός αριθµός Ατοµικό βάρος (Α) = 222 Σηµείο ζέσεως ( C) = 61.8 Σηµείο τήξεως ( C) = 71 Έτος ανακάλυψης = 1900 (F. E. Dorn) Προέλευση ονόµατος = Το όνοµα Ραδόνιο χρησιµοποιείται για το κυριότερο ισότοπο στοιχείου, το 222 Rn. Προέρχεται από το όνοµατου στοιχείου Ράδιο 226 ( 226 Ra, rad ium 226) και την κατάληξη on που χαρακτηρίζει στα αγγλικά τα ευγενή αέρια. Αφορµή υπήρξε το ότι το ραδόνιο προέρχεται από τη ραδιενεργό διάσπαση του ραδίου. ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Χαρακτηριστικές σταθερές Ραδονίου ( 222 Rn). 5

6 Γ. ΜΟΝΑ ΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΗΣ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΡΑ ΟΝΙΟΥ ( 222 Rn) H µονάδα µέτρησης της δραστηριότητας των ραδιενεργών πυρήνων είναι το Bq (µπεκερέλ). Με αυτή µετριέται η ισχύς της ραδιενέργειας, η συχνότητα των πυρηνικών διασπάσεων µίας ραδιενεργούς ουσίας ενός συγκεκριµένου είδους πυρήνα ανά µονάδα χρόνου (δευτερόλεπτο). 1Bqείναι ίσο µε το ποσό, από µία ραδιενεργό ουσία, που συνίσταται από µία πυρηνική διάσπαση ή µετασχηµατισµό ανάδευτερόλεπτο. Όταν λέµε 10 Bq σηµαίνει ότι έχουµε δέκα διασπάσεις ανά δευτερόλεπτο. Το αποτέλεσµα µίας µέτρησης της συγκέντρωσης Ραδονίου ( 222 Rn) µε παθητικούς ανιχνευτές µπορεί λοιπόν να εκφράζεται σε Bq/m 3. Εκφράζει τη µέση ολοκληρωµένη συγκέντρωση ραδονίου που είναι και η πλέον αντιπροσωπευτική για τον εσωτερικό αέρα του κτιρίου. ηλαδή, 1Bq/m 3 σηµαίνει ότι κατά µέσο όρο σε κάθε κυβικό µέτρο αέρα, συµβαίνει µία διάσπαση ενός ατόµου ραδονίου σε κάθε δευτερόλεπτο. Παλαιότερη µονάδα µέτρησης της ραδιενέργειας ήταν το Ci (κιουρί), και συγκεκριµένα υποπολλαπλάσια αυτού, µci και pci. Αυτή η µονάδα µέτρησης πήρε το όνοµά τηςαπότηφυσικόmarie Curie, η οποία ήταν η πρωτοπόρος στην έρευνα πάνω σε ραδιενεργά στοιχεία και στις διασπάσεις των. 1pCiείναι ίσο µε τη διάσπαση δύο περίπου ραδιενεργών ατόµων ανά λεπτό. Επειδή, το επίπεδο της ραδιενέργειας είναι ευθέως ανάλογο µε τοναριθµό και τον τύπο των ραδιενεργών ατόµων που παρουσιάζονται, το Ραδόνιο ( 222 Rn) και όλα τα άλλα ραδιενεργά άτοµα µετρούνται σε pci. Για παράδειγµα, ένα κτίριο το οποίο έχει 4 pci ραδονίου ανά λίτρο αέρα (4 pci/l) έχει περίπου οκτώ µε εννέα άτοµα ραδονίου, τα οποία διασπώνται κάθε λεπτό σε κάθε λίτρο αέρα µέσα στο κτίριο. Η αντιστοιχία µεταξύ του Bq και του pci είναι η ακόλουθη: Bq = 1 Ci (3) 3 3 και αφού 1L = 10 cm τότε: 3 37 Bq/m = 1 pci/l (4) 6

7 . ΠΡΟΕΛΕΥΣΗ ΡΑ ΟΝΙΟΥ ( 222 Rn) Το Ραδόνιο ( 222 Rn), όπως αναφέρθηκε πιο πριν, είναι αέριο ραδιοϊσότοπο το οποίο προέρχεται από τη διάσπαση Ραδίου 226 ( 226 Ra). Και τα δύο ραδιοϊσότοπα είναι µέλη της ραδιενεργούς σειράς του Ουρανίου 238 ( 238 U), το οποίο αποτελεί µέρος της φυσικής ραδιενέργειας. Όλα τα πετρώµατα και τα χώµατα της Γης περιέχουν ουράνιο 238 σε µικρές συνήθως ποσότητες, ένα µέχρι τρία κοµµάτια στο εκατοµµύριο (parts per million, ppm). Το Ράδιο 226 ( 226 Ra) είναι ένα εξαιρετικά ραδιενεργό µεταλλικό στοιχείο αργυρόλευκου χρώµατος. Βρίσκεται στο φλοιό της Γης, η διάσπασή του συνοδεύεται και από µία φυσικοχηµική µεταβολή. Ενώ το ράδιο 226 σαν στοιχείο είναι στερεό και παραµένει στο κέλυφος στο οποίο εναποτέθηκε, το παραγόµενο από τη διάσπαση ραδίου 226, Ραδόνιο ( 222 Rn), είναι αδρανές αέριο. Και αφού είναι αέριο, εάν του δοθεί η δυνατότητα θα διαφύγει από το έδαφος στο οποίο έχει σχηµατισθεί. Tο πιο κάτω σχήµα δείχνει το διάγραµµατης µεταστοιχείωσης ραδίου 226 σε ραδόνιο µε διάσπαση α. Η διακλάδωση περιλαµβάνει δύο κλάδους: 1. Με πιθανότητα 94.6% που οδηγεί κατ ευθείαν σε ραδόνιο στη θεµελιώδη στάθµη µε εκποµπή ενέργειας α 4.78 ΜeV, 2. Με πιθανότητα 5.4% όπου δηµιουργείται ενδιάµεσα διεγερµένο ραδόνιο µε εκποµπή ενέργειας α 4.60 MeV, που καταλήγει στη θεµελιώδη στάθµη µε εκποµπή φωτονίου γ µε Ε γ =0.18MeV. Επίσης η µέση κινητική ενέργεια ανά ζεύγος φορτισµένων σωµατίων ( Rn και 4 2 He ++ ) που παράγεται κατά την αντίδραση ατουραδίου 226, είναι: Ea = (4.78MeV) (4.60MeV) = 4.77 MeV ( 5) Θεωρούµε ότι τα νουκλίδια του Ραδίου 226 ( 226 Ra) που περιέχονται σε υλικό µέσο είναι οµοιόµορφα κατανεµηµένα. Έστω µικρή ποσότητα υλικού (ακτίνας της τάξεως του 1 εκατοστού), τέτοια ώστε να είναι ικανή να απορροφήσει όλη την κινητική ενέργεια που αποδίδεται ανά διάσπαση, ενώ επιτρέπει τη διαφυγή των ακτίνων γ. Αν n είναι ο αριθµός των διασπάσεων ανά γραµµάριο µάζας υλικού, τότε η 7

8 απορροφώµενη από το µέσο δόση είναι 4.77 nmev/g. Επειδή 10 1MeV/g J/Kg 10 =, έπεται ότι 4.77 nmev/g = nj/kg. Για επαρκώς µεγαλύτερη ποσότητα του υλικού µε την ίδια συγκέντρωση ραδίου 226 τότε απορροφώνται από το υλικό και οι ακτίνες γ, οπότε η απορροφώµενηδόσηείναι 4.78 nmev/g = 7.65 nj/kg Ra 4.78 MeV Relative mass Energy for Neutral Atoms Rn + 2He Excited state 94.6% γ = 0.18 ΜeV Ground state 5.4% α 2 = 4.60 MeV α 1 = 4.78 MeV ΣΧΗΜΑ 5. Ατοµικό ενεργειακό διάγραµµατηςµεταστοιχείωσης Ραδίου 226 ( 226 Ra) σε Ραδόνιο ( 222 Rn) µεδιάσπαση α. Ας παρατηρήσουµε ένακόκκουλικού, όπως φαίνεται στο σχήµα που ακολουθεί, που περιέχει Ράδιο 226 ( 226 Ra). Ο πυρήνας του ραδίου 226 διασπάται και µετατρέπεται σε πυρήνα Ραδονίου ( 222 Rn) οοποίοςµπορεί: Να µη µπορεί να βγει από τον κόκκο, Να βγει και να περάσει στους πόρους (διάκενα των κόκκων), Να µπει σε γειτονικό κόκκο. 8

9 Άτοµο Ραδίου 226 ( 226 Ra) Άτοµο Ραδονίου ( 222 Rn) Μεταφορά ατόµου Ραδονίου ( 222 Rn) ΣΧΗΜΑ 6. ιάσπαση πυρήνα Ραδίου 226 ( 226 Ra) και µετατροπή του σε πυρήνα Ραδονίου ( 222 Rn). ΗδιαφυγήΡαδονίου( 222 Rn) από τους κόκκους µέσα στους οποίους παράγεται, εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες αυτών, όπως: Μέγεθος των κόκκων, Πορώδες, ιαπερατότητα, Υγρασία του εδάφους, Κρυσταλλική δοµή των κόκκων. ηλαδή, κάθε άτοµο Ραδίου 226 ( 226 Ra) διασπάται εκπέµποντας από τον πυρήνα του σωµατίδιο α. Όταν το σωµατίδιο α παραχθεί, το προσφάτως δηµιουργούµενο άτοµο ραδονίου ανακρούεται προς την αντίθετη κατεύθυνση, όπως ένα τουφέκι ανακρούεται όταν η σφαίρα εκπυρσοκροτείται. Η ανάκρουση α είναι ο πιο σηµαντικός παράγοντας που επηρεάζει την ελευθέρωση ραδονίου από τους κόκκους των ορυκτών. Η θέση του ατόµου ραδίου 226 µέσα στους κόκκους των ορυκτών (πόσο κοντά είναι στην επιφάνεια του κόκκου) και η διεύθυνση του ανακρουώµενου ατόµου Ραδονίου ( 222 Rn) (κατά πόσο είναι προς την επιφάνεια ή στο εσωτερικό του κόκκου), καθορίζεται από το κατά πόσο ή όχι το προσφάτως δηµιουργούµενο άτοµο ραδονίου, εισέρχεται στον πόρο (pore space) που είναι ανάµεσα στους κόκκους των ορυκτών. Εάν το άτοµο ραδίου 226 είναι βαθιά σε ένα µεγάλο κόκκο, τότε αδιαφορώντας για τη διεύθυνση της ανάκρουσης, δε θα ελευθερώσει το ραδόνιο από τον κόκκο, και έτσι 9

10 το άτοµο ραδονίου θα µείνει χωµένο βαθιά στο ορυκτό. Ακόµη και όταν το άτοµο ραδίου 226 είναι κοντά στην επιφάνεια του κόκκου, η ανάκρουση θα στείλει το άτοµο ραδονίου βαθύτερα µέσα στον κόκκο, εάν η διεύθυνση της ανάκρουσης είναι προς το κέντρο πυρήνα του κόκκου. Εντούτοις, η ανάκρουση µερικών ατόµων ραδονίου κοντά στην επιφάνεια του κόκκου κατευθύνεται προς αυτήν. Όταν συµβεί αυτό, το προσφάτως δηµιουργούµενο ραδόνιο αφήνει το ορυκτό και εισέρχεται στον πόρο ανάµεσα στους κόκκους ή στις ρωγµές των πετρωµάτων του εδάφους. Η ανάκρουση του ατόµου ραδονίου είναι αρκετά δυνατή. Συχνάταπροσφάτως δηµιουργούµενα άτοµα ραδονίου που εισέρχονται στο διάστηµα του πόρου διασχίζουν όλη τη διαδροµή κατά µήκος του πόρου και χώνονται στους κοντινότερους κόκκους των ορυκτών. Εάν παρουσιαστεί νερό στον πόρο, εντούτοις, η κίνηση του ατόµου ραδονίου ελαττώνεται πολύ γρήγορα και είναι πιθανότερο να µείνει στο διάστηµα του πόρου. 10

11 Ε. ΘΥΓΑΤΡΙΚΑ ΠΑΡΑΓΩΓΑ ΡΑ ΟΝΙΟΥ ( 222 Rn) Τα στερεά, θυγατρικά παράγωγα Ραδονίου ( 222 Rn), Πολώνιο 218 ( 218 Po), Βισµούθιο 214 ( 214 Bi), Μόλυβδος 214 ( 214 Pb) και Πολώνιο 210 ( 214 Po), σε αντίθεση µε τοραδόνιο, είναι χηµικώς ενεργά και σχετικά βραχύβια µε χρόνουςηµιζωής ( Τ1/2) από λίγα µικροδευτερόλεπτα έως 30 λεπτά. Μετά την παραγωγή τους στον αέρα που υπάρχει εντός ενός κτιρίου, όπως φαίνεται και στο πιο κάτω σχήµα, τα θυγατρικά παράγωγα ραδονίου έχουν τρεις δυνατότητες: 1. Να µείνουν αδέσµευτα στον αέρα (unattached fraction), 2. Να προσκολληθούν στα αιωρούµενα σωµατίδια (attached fraction), 3. Να επικαθίσουν σε µία επιφάνεια (plate out). Ραδόνιο ( 222 Rn) Εκροή Ραδονίου ( 222 Rn) ιάσπαση Αδέσµευτο ΘΠΡ Επικάθηση Τοίχος Σύνδεση εσµευµένο ΘΠΡ Ανάκρουση Μόνο Πολώνιο 218 ( 218 Po) Επικάθηση AEROSOL ΣΧΗΜΑ 7. υνατότητες των θυγατρικών παραγώγων Ραδονίου ( 222 Rn). Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τόσο τις συγκεντρώσεις των θυγατρικών, όσο και τα παραπάνω ποσοστά. Οι κυριότεροι από αυτούς είναι η συγκέντρωση και το µέγεθος των αιωρούµενων σωµατιδίων (aerosols), ο εξαερισµός και η υγρασία. 11