Determinação da meia-vida do nuclídeos

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1 Determinação da meia-vida do nuclídeos 116m In, 108 Ag e 110 Ag O objectivo deste trabalho é medir a meia-vida (ou período de semi-desintegração) dos nuclídeos 116m In, 108 Ag e 110 Ag. Estes radionuclídeos são produzidos por irradiação de amostras de índio e de prata com neutrões. I. Produção dos radionuclídeos por irradiação com neutrões 1. Activação da Ag e do In com neutrões A prata natural é uma mistura de 48% de 107 Ag e 52% de 109 Ag. O índio natural é uma mistura de 4% de 113 In e de 96% de 115 In. Quando uma amostra de prata ou de índio se irradia com neutrões pode ocorrer o processo de captura de um neutrão por um núcleo de um dos isótopos presentes na amostra, i.e., A Z X + n X (1) A+ 1 * Z Na tabela 1 estão compiladas as meia-vidas dos nuclídeos que se podem formar por captura dos neutrões e as respectivas secções eficazes de produção por neutrões térmicos (i.e., com energia da ordem de grandeza da energia de agitação térmica) para cada um dos isótopos da prata e do índio. Isótopo na amostra Isótopo radioactivo Meia-vida Secção eficaz (b) 107 Ag (48%) 108 Ag* 2.3 min Ag (52%) 110 Ag* 24 s In* 72 s 4 In (4%) In* 50 d In 13 s In(96%) 116m1 In 54 min m2 In 2.2 s 4 Tabela 1- Radioisótopos produzidos por irradiação da prata e do índio com neutrões, respectiva secção eficaz de produção e meia-vida de decaímento. 2. Sistema de irradiação da amostra O esquema do sistema de irradiação usado nesta experiência está representado esquematicamente na fig.1. É constituído por uma fonte de neutrões (F), por um moderador de neutrões que envolve a fonte e por dois porta-amostras () onde se colocam as amostras a irradiar. A fonte de neutrões é constituída por uma fonte de partículas α (neste caso 241 Am; T 1/2 =458 anos) envolta em berílio. Os neutrões são produzidos na fonte pela reacção nuclear 9 13 * 12 4Be + α 6C n + 6C A actividade da fonte é aproximadamente igual a 1 Ci, sendo emitidos aproximadamente neutrões/s.

2 Os neutrões são emitidos pela fonte com energia superior a 0.1 MeV mas a secção eficaz da reacção de activação é muito maior para neutrões de muito baixa energia (neutrões térmicos, E<1 ev). Para os neutrões chegarem à amostra com energia muito baixa, aumentando assim a probabilidade de activação, a fonte de neutrões está rodeada por um material no qual os neutrões perdem energia em colisões com os núcleos do meio sem serem absorvidos. Esse material que tem como função reduzir a energia dos neutrões designa-se por moderador. Na fonte usada neste trabalho o material moderador é a parafina. A fonte envolta no moderador encontra-se encerrada num recipiente revestido a chumbo que serve para protecção (ver fig. 2). V V F F I II Fig.1 - Desenho esquemático do sistema que contém a fonte (F) na extremidade do varão (V) e dois porta-amostras () onde são colocadas as amostras para serem irradiadas. À esquerda (I) a fonte está na posição de armazenamento; à direita a fonte está a posição de irradiação. Os porta-amostras só podem ser retirados com a fonte na posição da esquerda (I) O sistema dispõe de dois orifícios laterais, diametralmente opostos, (janelas de radiação) onde estão encaixados dois porta-amostras amovíveis (designados por na fig.1) que permitem colocar amostras perto da fonte de neutrões. Cada porta-amostras tem vários espaçadores de plástico (ver fig.3) que permitem ajustar a posição da amostra e variar a distância desta à fonte. A amostra a irradiar é colocada entre dois desses espaçadores. A fonte de neutrões encontra-se no extremo de um varão vertical introduzido na parte superior do recipiente cilíndrico que contém a fonte. Este varão pode ser colocado em duas posições. Na posição inferior (posição de armazenagem; posição I na fig.1) a fonte encontra-se protegida numa posição abaixo do porta-amostras. É nesta posição que a fonte deve ser guardada quando não há amostras a irradiar. Na posição superior (posição de irradiação; posição II na fig.1) a fonte de neutrões encontra-se ao nível das janelas de irradiação permitindo assim irradiar as amostras colocadas nos portaamostras. NUNCA se devem retirar os porta-amostras, nem abrir os cadeados que os fecham, com a fonte nesta posição. ATENÇÃO: Antes de retirar qualquer dos porta-amostras deve SEMPRE verificar se a fonte de neutrões está na posição de armazenagem e se o varão de suporte da fonte está bloqueado com o respectivo cadeado.

3 Fig.3 - Porta-amostras. A amostra a irradiar (pastilha de prata ou de índio) é colocada e fixada entre os separadores de plásticos Fig.2 Sistema que contém a fonte de neutrões. 3. Procedimento para a irradiação Descrevem-se em seguida as sucessivas operações a efectuar para irradiação das amostras. A COLOCAÇÃO DAS AMOSTRAS RA IRRADIAÇÃO 1 Assegurar-se que a fonte de neutrões até na posição de armazenagem. 2 Retirar um dos porta-amostras e colocar as folhas do material a irradiar entre os cilindros de plástico existentes no porta-amostras. 3 Colocar o porta-amostras na janela de irradiação e fechar o respectivo cadeado. 4 Mudar a posição da fonte de neutrões para a posição de irradiação e trancar o varão de suporte da fonte fechando o respectivo cadeado. 5 Assegurar-se que todos os cadeados estão fechados e colocar a chave no chaveiro. B RETIRAR AS AMOSTRAS IRRADIADAS 1 Baixar a fonte de neutrões para a posição de armazenagem e fechar o respectivo cadeado. 2 Retirar as folhas irradiadas do porta amostras e colocar este novamente no seu lugar fechando o cadeado. 3 - Assegurar-se que todos os cadeados estão fechados e colocar a chave no chaveiro. II. Método de determinação da meia-vida dos nuclídeos Quando uma amostra contém um isótopo radioactivo, o número de decaímentos ocorridos entre t e t+ t, sendo t<<t 1/2, é igual a λt Nt () = λnt () t = λne 0 t (2) em que λ é a contante de decaimento do isótopo radioactivo, T 1/2 a sua meia-vida (ou período de semi-desintegração) e N(t) é o número de núcleos do isótopo radioactivo que existem na amostra no instante t. A actividade no instante t, A(t), é igual ao limite de N(t)/ t quando t 0. Se t for muito pequeno, N(t)/ t A(t). Fazendo uma medida de N (ou medindo uma fracção constante de N) em sucessivos intervalos de

4 tempos t, durante um período de tempo da ordem de grandeza da meia-vida do isótopo, pode determinar-se a constante de desintegração desse isótopo fazendo um ajuste de uma exponencial ao conjunto de valores de N(t) em função do tempo (ou o que é equivalente a fazer um ajuste linear a ln( N)). No caso de uma amostra conter dois nuclídeos radioactivos, A e B, com constantes de decaímento iguais a respectivamente λ A e λ B, o número de decaímentos ocorridos entre t e t+ t (sendo t<< T 1/2 A e t<< T 1/2 B ) é igual a = + λat λbt N λan0ae t λbn0be t (3) A actividade, N/ t é igual à sobreposição da actividade dos nuclídeos A e B. No caso dos tempos de meia-vida dos dois radioisótopos serem muito diferentes é possível determinar a meia-vida mais longa (T 1/2 A na fig. 1) utilizando as contagens obtidas para t>> T 1/2 B (para t >> T 1/2 B a actividade do isótopo B é desprezável e a actividade total medida é practicamente só devida ao isótopo A). Após subtrair os decaímentos devidos ao nuclídeo A aos dados experimentais, obtêm-se os decaímentos devido ao nuclídeo B (curva a azul na fig. 4) e consequentemente a meia-vida deste nuclídeo (T 1/2 B na fig.4). 100 actividade (s-1) 10 1 λn e λ B 0B B t λn e λ A 0A tempo (s) At Fig.4 Actividade de uma amostra que contém dois nuclídeos radioactivos com períodos de semi-desintegração T 1/2 A e T 1/2 B sendo T 1/2 A >> T 1/2 B (λ A << λ A ). III. Equipamento para medir a taxa de contagens em função do tempo Para medir o número de contagens vai usar um sistema integrado (Spectech) que inclui um detector Geiger_Muller, a fonte de de alta tensão ligada ao detector e a electrónica associada para o processamento do sinal. O módulo spectech contém ainda um suporte amovível para colocar as amostras ou fontes. Este sistema integrado é mostrado na fig. 5. Os dados são transmitidos do sistema integrado para o computador a que o sistema está ligado. O programa que permite adquirir os dados é o NUCLAB.exe. Com este sistema pode-se fazer automaticamente uma série de medidas consecutivas (i.e, uma série de runs ). O número de runs é escolhido com o programa NUCLAB.exe. A duração de cada medida ( run) é definida no Spectech.

5 Fig.5- Sistema integrado SPECTECH. Para seleccionar a tensão aplicada ao detector: no Spectech premir o botão HV e em seguida premir o botão UP ou DOWN (consoante se queira, respectivamente, aumentar ou diminuir a tensão) tantas vezes quantas as necessárias até atingir a tensão desejada. A duração de cada run é seleccionada no Spectech de modo idêntico ao descrito para seleccionar a tensão mas em que inicialmente se prime o botão TIME (em vez de HV). O número de runs é seleccionado no computador com o programa NUCLAB.exe: Para iniciar uma série pré-definida de runs: seleccionar Count no computador (programa nuclab.exe). Para guardar os resultados: no programa nuclab.exe, seleccionar File -> Save (só é possível guardar no disco rígido; posteriormente pode passar os dados do disco rígido para uma diskette; o computador não tem portas USB nem leitor CD/DVD). IV. Procedimento experimental 1 Ligar o computador 2 Ligar módulo Spetech. 3 Iniciar o programa Nuclab.exe 4 Aplicar a tensão de trabalho (no spectech): 420V 5 Medir o fundo sem fontes nem amostras: uma medida de 5 min. 6 Medir o fundo com a prata (uma amostra): uma medida de 5 min. 7 Medir o fundo com o índio (três amostras): uma medida de 5 min. 8 Irradiar a amostra de prata durante 10 min. 9 Fazer 100 medições (runs), de 10 s cada uma, com a amostra de prata. 10 Irradiar as três amostras de índio durante 45 min. 11 Fazer 100 medições (runs), de 60 s cada uma, com as três amostras de índio. 12 Medir novamente o fundo sem fontes nem amostra: uma medida de 5 min. IMPORTANTE: É crucial iniciar as medidas da actividade da prata imediatamente após terminar a irradiação da amostra, tão rapidamente quanto for possível. O número de runs e a sua duração (100 runs de 10 s cada) devem ser selecionados previamente de modo a que as medidas possam ser iniciadas imediatamente após a amostra ser transferida do sistema de irradiação para o spetech transferência essa que deve ser feita com a maior rapidez possível.

6 V. Análise dos dados 1) Corrijir as contagens obtidas com a prata e com o índio de tempo morto do detector (τ=70 µs) e das contagens de fundo. 2) Para fazer a atribuição de um instante t a cada medida do número de contagens (i.e., a cada run), considere o meio do intervalo de tempo entre duas runs consecutivas. 3) Fazer os gráficos (em escala semi-logarítmica) do número de contagens corrigido (obtido no ponto 1) em cada run em função dos instantes obtidos no ponto 2). 4) Faça os ajustes e a análise de dados para obter as meias-vidas dos nuclídeos 116m In (e eventualmente dos nuclídeos do In de meia-vida mais curta), 108 Ag e 110 Ag. 5) Compare com os valores esperados.