Generador de Protoactinio.

En algunos países la formación teórica suele estar acompañada de abundantes practicas de laboratorio. Desgraciadamente esto no ocurre en España, quizás porque en mi opinión a los profesores que están enseñado física no les gusta la física y por supuesto no la sienten como la sentimos aquí.

Pues una de las muchas practicas que puede hacer un chaval en Estados Unidos es comprobar que los materiales radiactivos se desintegran, y miden la vida media de algunos isótopos radiactivos. Como puede suponerse estas practicas se hacen con materiales que no revisten ningún peligro y con cantidades de material inferiores a 10 microcuries.

Uno de los aparatos que emplean se llama Isotope Generator que contiene Cesio 134 desintegrándose en Bario 137 con una vida media de 2,6 minutos. El fabricante del aparatito se llama TEL atomica y cuesta 234 $. Aquí puedes acceder a mas información.

Como podemos suponer no estamos para gastarnos 234 $ mas gastos de envío en este experimento por atractivo que resulte. Además el importar de EEUU un material radiactivo por inocuo que resulte nos va a resultar engorroso sobretodo después del asunto del Polonio 210 (que como todos sabréis se encuentra en el tabaco).

Tampoco es cuestión de fabricar un cilcotrón para conseguir cesio radiactivo, ni pretender que un primo nos traiga materiales radiactivos de Chernovil para hacer experimentos. Hay una forma bastante sencilla y barata de realizar el experimento con materiales relativamente accesibles. Y como podéis suponer el único material fácilmente accesible y que no es peligroso es el uranio natural.

Fundamento teórico.

Tal como se explica en el cuadro anterior, el U238, que es el mas abundante, se desintegra con una vida media de 4.500 millones de años emitiendo una partícula alfa en en Torio 234. El torio 234 a su vez se desintegra en protactinio 234, con una vida media de 24 días emitiendo una partícula beta de 19 keV. La mayor parte del protactinio 234 ( el 99,85%) se desintegra con una vida media de 77 segundos en uranio 234 mediante la emisión de una partícula beta de 1130 keV. El uranio 234 seguirá la cadena de desintegraciones emitiendo una partícula alfa.

Nuestro experimento de medida de vida media se va a basar en registrar la actividad del Protoactinio 234 exclusivamente evitando en lo posible registrar otras actividades. Recalcamos que se desintegra con una vida media de 77 segundos emitiendo una partícula beta de 1130 keV.

Para ello en un frasco de plástico de paredes finas lo llenamos al 95 % con dos fases liquidas. Una se compone de una disolución de nitrato de uranilo en agua y la otra de un disolvente orgánico no miscible con la solución acuosa. Al agitar la mezcla el protactininio en forma de cloruro se disuelve en la capa orgánica, que al ser no miscible y menos densa se coloca en la parte de arriba del frasco.

Materiales necesarios.

El material básico que nos va a proporcionar el protoactinio son de 1 a 10 gramos de nitrato de uranilo. Además necesitaremos unos 30 cc de ácido clorhídrico concentrado, y otros 40 cc de acetato de amilo o una cantidad equivalente de iso-butil metil cetona. También necesitaremos una botella de plástico de unos 30 a 80 cc de polipropileno o en su defecto de polietileno.

Necesitamos además un contador geiger. Es prácticamente imprescindible que sea un contador digital y que la base de tiempos pueda seleccionarse a 10 segundos. Diez segundos es un tiempo conveniente de medida teniendo en cuenta que la vida media del PA es de 78 segundos. Esto nos permite construir una curva con suficientes puntos. Dependiendo del tubo contador de la forma de la botella y de la cantidad de uranio en ella contenida e numero de cuentas puede ser de 250 cuentas /10 segundos al comienzo de la serie y 25 cuentas al final esto, con un error del mas menos 25 %. Si en vez de integrar las cuentas cada 10 segundos lo hacemos cada segundo el numero de cuentas es diez veces menor y el error debido a la aleatoriedad de la radiación mucho mayor.

Como lo que vamos a medir son radiaciones betas es imprescindible que sea un tubo de los de ventana de mica (mica window). Si tenemos la posibilidad de elegir el tipo de tubo elegiremos uno de los denominados pancake. Estos tubos tienen una ventana muy grande para permitir la captura de radiaciones alfa y beta y por contra tienen un pequeño volumen por lo cual son relativamente insensibles a las gamma. En caso de que el tubo sea de los del tipo cilíndrico puede ser conveniente blindar todo el tubo salvo la ventana de mica con plomo para minimizar las cuentas gamma de la radiación ambiente. Esto en Madrid resulta muy conveniente ya que al estar en unos parajes graníticos la radiación de fondo es bastante alta. En otros parajes de terrenos sedimentarios no es necesario porque la radiactividad ambiente puede llegar a ser 5 veces inferior a Madrid.

La fotografía corresponde a un tubo ruso muy adecuado para este experimento de los que se pueden comprar en eBay por unos 45 euros.

Realización del experimento.

Lo primero que hay que hacer es medir el volumen total del frasco de plástico que vamos a emplear como muestra. Para eso lo llenaremos totalmente con agua pondremos el tapón para asegurarnos que salga el agua que pueda haber en exceso y luego echaremos el agua en una probeta para medir el volumen.

El frasco que yo he empleado tiene aproximadamente 80 cc, es un frasco comprado en Resopal de buena calidad con un cierre muy hermético. Podemos emplear otros frascos y de otros volúmenes escalando las cantidades del los reactivos, pero debemos asegurarnos de que el frasco no pierde liquido. Para ello con la tapa del frasco hacia abajo lleno de agua presionamos ligeramente el frasco y comprobamos que no pierde liquido fácilmente.

En un vaso de precipitados disolvemos 4 gramos de nitrato de uranilo en 8 cc de agua. Cuando este totalmente disuelto añadimos 30 cc de ácido clohídrico concentrado. Agitamos con una varilla de vidrio y añadimos 25 cc de acetato de amilo o de iso-butil-metil-cetona. Agitamos durante unos minutos y volcamos cuidadosamente la mezcla en el frasco de plástico cuidando de que ni se derrame ni sobre nada. Ponemos el tapón firmemente. Secamos el frasco con papel absorbente. Damos la vuelta al frasco, y ahora en la capa superior deben quedar unos 5 mm de espacio ocupado por aire. Este espacio sirve para que se pueda agitar el conjunto y que se mezclen las dos fases. Si queda menos con una pipeta debemos retirar un poco del liquido que sobrenada. Si queda mas debemos rellenar con un poco de ácido clohídrico.

Si el frasco no se sostiene al apoyarlo boca abajo sobre la tapa, conviene hacer un agujero en un trozo de madera para que de esa manera se sostenga bien.

Ahora si agitamos fuertemente durante unos segundos las dos capas de liquido se mezclan íntimamente, y el protoactinio se disuelve en la capa orgánica. Si entonces apoyamos el frasco el el soporte de madera las dos capas se separan en unos segundos quedando arriba la capa orgánica con el protoactinio disuelto.

Es preferible que el frasco sea de polipropileno a polietileno porque el polipropileno es mas resistente al ataque del ácido y de los disolventes orgánicos.

Química del experimento.

La parte acuosa contiene en su mayor parte el uranium 238 que se desintegra emitiendo una partícula alfa en Torio 234. Como la particula alfa tiene una masa de cuatro y dos protones, el nuevo elemento tiene una masa de 238-4=234 y un numero atomico de 92-2=90

Las particulas alfa no tienen capacidad de penetracion y son absorbidas por el liquido. El torio resultante permanece disuelto en el liquido acuoso.

El torio se desintegra emitiendo una partícula beta de 19 keV (un neutrón emite un electrón y pasa a se un protón) por ello aumenta uno su numero atómico pero permanece estable su masa atómica con lo que se transmuta en Pa 234.

La radiación beta de tan poca energía que se produce en el liquido no es capaz de salir de la fase acuosa y no afecta el conteo. Sin embargo el protoactinio forma complejos que se disuelven en la fase orgánica cuando agitamos el frasco. El Pa al desintegrase con una vida media de 68 segundos emite radiación beta de 1130 keV.

Las partículas beta producidas en la fase orgánica son capaces de atravesar las paredes del frasco y la ventana de mica del tubo geiger con lo que activa las cuentas. No ocurre lo mismo con las que están en la fase acuosa ya que deben atravesar un espesor mucho mas grande de liquido.

Procedimiento de operación.

Como se ha dicho se debe prevver un soporte para mantener el frasco boca abajo y eltubo geiger se debe colocar encima sin que ambos se muevan.

Agitar vigorosamente el frasco durante 15 segundos. Colocar inmediatamente el frasco boca abajo el el soporte y colocar inmediatamente el tubo del contador geiger con la ventana de mica orientada al culo del frasco. Anotar las cuentas cada diez segundos, al menos 20 o 30 cuentas. Esperar unos diez minutos mas y realizar unas cuantas cuentas y promediarlas. De esta manera sabremos cuales son las cuentas de fondo. Restar estas cuentas a las anotadas. Hacer el análisis de los datos.

En mi caso con los materiales y mi contador las cuentas tomadas en periodos de 10 segundos fueron.

2164, 2067, 1865, 1713, 1548, 1494, 1325, 1151, 1146, 991, 947, 802, 745, 694, 638, 590, 615, 478, 452, 411, 348, 365, 289, 318, 268, 288, 215, 186, 169, 158, 166, 154, 141, 120, 94, 106, 94, 100, 88, 64, 80, 56, 60, 80, 56, 59, 58, 56, 50, 49, 36, 40, 34, 31.

Midiendo la radiación de fondo promediada resulto ser 202 cuentas en 100 segundos, resultando un promedio de 20 cuentas cada 10 segundos. Restando esto a los valores anteriores obtenemos.

2144, 2047, 1845, 1693, 1528, 1474, 1305, 1131, 1136, 971, 927, 782, 725, 674, 618, 570, 595, 458, 432, 391, 328, 345, 269, 298, 248, 268, 195, 166, 149, 138, 146, 134, 121, 100, 74, 86, 74, 80, 68, 44, 60, 36, 40, 60, 36, 39, 38, 36, 30, 29, 16, 20, 14, 11.

Como puede verse la serie de cuentas no es monotónica ( algunos valores son mayores que los anteriores), esta es una característica inherente a la aleatoriedad de la desintegración atómica. Ya a simple vista se puede apreciar que la frecuencia de las cuantas disminuye rápidamente y que aproximadamente cada 7 periodos de conteo las cuentas bajan a la mitad, confirmando que la vida media del protoactinio es de unos 70 segundos.

Resultará ilustrativo hacer una gráfica de las cuentas tomadas en la que se aprecie la curva exponencial de la desintegración y las desviaciones de la curva debido a la aleatoriedad de la desintegración. Las pondremos en unos días además de una fotografías......

El Profesor Frank de Copenhague