Radioaktivitás

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

Az alfa-sugárzás hélium atommagokból áll, és akár egy vékony papír is elnyeli őket. A béta-sugárzás elektronsugárzás, és egy alumíniumlemez elnyeli őket. A gamma-sugárzás erőssége az útja során folyamatosan csökken.

A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Ez nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. Radioaktív sugárzás a természetben is előfordul. Mérésére részecskedetektorokat használnak.

[szerkesztés] Felfedezése

A radioaktivitást 1896-ban Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Becquerel foszforeszkáló anyagokkal kísérletezett. Úgy gondolta, hogy a katódsugárcső fénye valamilyen módon összefügg a foszforeszcenciával. Különféle foszforeszkáló anyagokat burkolt fekete papírba egy fényképlemezzel együtt, és a fényképlemez feketedését vizsgálta. Nem észlelt feketedést amíg uránsókkal nem próbálkozott. Miután a nem foszforeszkáló uránsókkal próbálkozott, kiderült, hogy a jelenségnek semmi köze sincs a foszforeszcenciához. Kimutatta, hogy a sugárzás intenzitása arányos az urán koncentrácójával, így arra következtetett, hogy ez a sugárzás az urán atom tulajdonsága. Pierre és Marie Curie új, sugárzó elemek után kutatva fedezték fel, hogy a tórium is sugároz. Az uránércből kivontak még két erősebben sugárzó elemet, a polóniumot és a rádiumot. A Curie házaspár nehéz és fárasztó munkájának szemléltetéséül álljon itt az adat, hogy nyolc tonna uránércből 0,1 gramm rádiumot vontak ki. A Curie házaspár és Ernest Rutherford kísérletei a radioaktív sugárzásnak két összetevőjét mutatta ki: a nagyon rövid hatótávolságú (levegőben kevesebb, mint 1 cm) alfa-sugárzás, és a béta-sugárzás (pár 10 cm levegőben). 1900-ban fedezte föl Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást, amit 10 cm ólom sem bír elnyelni. Később bebizonyították, hogy a gamma-sugárzás valójában nagyenergiájú elektromágneses sugárzás.

[szerkesztés] Radioaktív sugárzás (bomlás)

Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel:

Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti.
Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár 10 cm.
Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága levegőben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyöngítik hatékonyan.

Az alábbi táblázat rendszerezi a három fontosabb és több további bomlásfajtát nagyjából csökkenő előfordulási valószínűség szerint rendezve. A az atom tömegszámát (protonok és neutronok együttes száma), Z pedig a rendszámot (protonok száma) jelöli.

Bomlási mód	Résztvevő részecskék	Leánymagok	Mag gerjesztettség
Bomlás magemisszióval
Alfa-bomlás	Egy alfa-részecskét (A=4, Z=2) emittál a mag	(A-4, Z-2)	nő
Proton-emisszió	Egy proton kilökődik a magból	(A-1, Z-1)	?
Neutron-emisszió	Egy neutron kilökődik a magból	(A-1, Z)	?
Kettős proton-emisszió	Egyidejűleg két proton kilökődése a magból	(A-2, Z-2)
Spontán bomlás	A kezdeti mag kettő vagy több kisebb magra, valamint részecskékre bomlik	-
Cluster decay	A mag kibocsát egy specifikus kis tömegű magot(A₁, Z₁) ami nagyobb, mint az alfa-részecske	(A-A₁, Z-Z₁) + (A₁,Z₁)
A béta-bomlás különböző módjai
Negatív béta-bomlás	A mag egy elektront és egy antineutrínót emittál	(A, Z+1)
Pozitron-emisszió, ez is pozitív béta-bomlás	A mag egy pozitront és egy neutrínót emittál	(A, Z-1)
Elektron-befogás	A mag befog egy keringő elektront és kibocsát egy neutrínót - A leánymag egy gerjesztt, instabil állapotba kerül	(A, Z-1)
Kettős béta-bomlás	A mag két elektront és két antineutrínót bocsát ki	(A, Z+2)	nő
Kettős elektron-befogás	A mag elnyel két körülötte keringő elektront és két neutrínót bocsát	(A, Z-2)
Elektron-befogás pozitron-emisszió által	A mag elnyel egy keringő elektront és kibocsát egy pozitront és két neutrínót	(A, Z-2)
Kettős pozitron-emisszió	A mag kibocsát két pozitront és két neutrínót	(A, Z-2)
Átmenetek a mag két azonos összetételű állapota között
Gamma-bomlás	A gerjesztett mag kibocsát egy nagy energiájú gamma-fotont (gamma-sugárzás)	(A, Z)
Magátalakulás	A gerjesztett mag energiát ad egy a mag körül „keringő” elektronnak és kilöki	(A, Z)

[szerkesztés] Aktivitás

Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3.7*10¹⁰ Bq). A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával, amit a következőképp írhatunk föl:
$- \left(\frac{\ dN}{N}\right) = a \ dt$
Ezt integrálva kapjuk a bomlási törvényt:
$N\left(t\right) = N_0e^{-a t}$
Látható, hogy a radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. Az a a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűségel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. Többet használják viszont a T felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni:
$T = \frac{\ln 2}{a}$
Ha ismerjük egy izotóp felezési idejét, akkor egy adott forrás A aktivitása könnyen meghatározható:
$A = \frac{\ln 2}{T} N$

[szerkesztés] Radioaktív atommagok

elsődleges természetes radionuklidok (1)
- olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
- felezési idejük nagyon hosszú
- 26 ilyen mag ismert. Pl.: ²³⁸U ( T=4,47*10⁹ év ), ⁴⁰K ( T=1,28*10⁹ év ), ⁸⁷Rb ( T=4,8*10¹⁰ év )

másodlagos természetes radionuklidok (2)
- Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek
- Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
- 38 ilyen mag ismert. Pl.: ²²⁶R (T=1600 év), ²³⁴Th (T=24,1 nap)

Indukált természetes radionuklidok (3)
- állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
- 10 ilyen mag ismert. Pl.: ³H (T=12,3 év), ¹⁴C (T=5730 év)

mesterséges radionuklidok (4)
- emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
- 2000 ilyen mag ismert ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ²⁴Na

[szerkesztés] Legfontosabb radioaktív atommagok

Plutónium ²³⁹Pu , ²⁴¹Pu
Urán ²³⁵U , ²³⁸U
Kűrium ²⁴²Cm , ²⁴⁴Cm
Amerícium ²⁴¹Am
Tórium ²³⁴Th
Rádium ²²⁶Ra , ²²⁸Ra
Cézium ¹³⁴Cs, ¹³⁵Cs , ¹³⁷Cs
Jód ¹²⁹I, ¹³¹I , ¹³³I
Antimon ¹²⁵Sb
Ruténium ¹⁰⁶Ru
Stroncium ⁹⁰Sr
Kripton ⁸⁵Kr , ⁸⁹Kr
Szelén ⁷⁵Se
Kobalt ⁶⁰Co
Klór ³⁶Cl
Szén ¹⁴C
Trícium ³H
Radon ²²²Rn

[szerkesztés] Biológiai hatásai

A radioaktív anyagok jele.

Hogy a sugárzás biológiai hatásait objektíven felmérhessük, megfelelő fizikai mennyiségeket kell definiálni. Így vezették be a dózist, ami a sugárzásból 1 kg anyag által elnyelt energia mennyisége. Mértékegysége a Gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy).

Kísérletileg igazolt tény, hogy a radioaktív sugárzás hatása élő szervezetekre nagymértékben függ a fajtájától és az energiájától. Adott energiájú alfa-részecske több kárt okoz, mint egy ugyanakkora energiájú elektron, vagy egy foton. A különbség a lineáris energiaveszteség (dE/dx) különbözőségében rejlik. Például egy alfa-részecske az energiáját fémben 1 mikrométer alatt adja le, míg ehhez egy gamma-fotonnak akár több centiméterre is szüksége lehet. Emiatt minden fajta sugárzáshoz egy koefficienst rendelünk – a biológiai hatásosságot (RBE – Relative Biological Effectivity). A dózis és a biológiai hatásosság szorzata az ekvivalens dózis, aminek a mértékegysége a sievert (Sv).

A radioaktív sugárzás hatása azonban az érintett szerv típusától is függ. Minden szervhez egy koeficiens tartozik, ami nem függ a sugárzás fajtájától és energiájától. Így az effektív dózis (egy adott szervre) egyenlő az ekvivalens dózis és a szerv koefficiensének szorzatával.

Egy ember átlagosan évi 2,5 mSv dózist nyel el. Okai a levegőben lévő radon, a kozmikus sugárzás, röntgenvizsgálatok stb. Fontos kiemelni, hogy a legnagyobb része (2 mSv) természetes forrásból származik.

[szerkesztés] A bomlási sorok

A radioaktív bomlás során (úgynevezett anyaelemből) egy új elem (úgynevezett leányelem) jön létre. Megesik, hogy az is radioaktív, így újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg a stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során az tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás esetében), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás esetében). Ezért négy bomlási sor létezik attól függően, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3. Ebből a négy bomlási sorból csak az a 3 maradt meg, amelyeknél a leghosszabb felezési idejű izotóp felezési ideje nagyságrendileg összemérhető a Föld életkorával (U-238, U-235 és a Th-233). A negyedik (neptúnium) anyaelemének bomlási ideje kétmillió év, így ez ma már csak mesterséges eredetből található meg a Földön.

[szerkesztés] Alkalmazása

[szerkesztés] Kormeghatározás

Élőlények maradványainak a korát a bennük található radioaktív ¹⁴C izotóp (a felezési ideje 5560 év) koncentrációjából lehet meghatározni. A magas légkörben folyamatosan keletkező ¹⁴C izotóp beépül az élőszervezetbe Az élőlény kimúlása után az anyagcsere megszűnik, és a ¹⁴C/¹²C izotóparány csökkenni kezd, mivel a kémiai tulajdonságokat meghatározó rendszám azonos, ezért az arány csupán a bomlás miatt változik meg. A maradványból kinyert szén megváltozott izotópösszetételéből következtetni lehet a maradvány korára. Ez a módszer kb. 40-50 ezer évig használható kb. 10% pontossággal (ez az idő elteltével a ¹⁴C teljesen eltűnik maradványból).
Megjegyzés: bizonyos korrekciókkal a pontosság nagymértékben növelhető, de ennek feltételei nem mindig teljesülnek. Pl. a fák évgyűrűinek elemzései kiváló kalibrációs lehetőséget adnak : a Kanári szigetek sárkányfája, a Dracena Draco néhány példánya 4000 éves, így a ¹⁴C módszer kalibrációja néhány ezer évre visszamenőleg megoldott. Más izotópokkal más korszakokat lehet vizsgálni (pl.: a ²³⁵U/²³⁸U arányból is meg lehet állapítani a Föld korát).

[szerkesztés] Nyomjelzés

A radioaktív nyomkövetés vagy nyomjelzés, amelyet Hevesy György dolgozott ki, a következőn alapszik: a rendszerben levő bizonyos elem egy részét ugyanazon elem radioaktív izotópjára cseréljük. Ettől kezdve különböző detektorokkal lehet követni az elem mozgását a rendszerben. Ilymódon a pajzsmirigy működését, (a pajzsmirigybe radioaktív jódot viszünk), az erek átjárhatóságát, a növények tápanyagcseréjét (radioaktív foszforral) lehet vizsgálni.

Az izotópos füstjelző berendezések működésének elve, hogy a kis áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (magyarul füst) nagy mértékben elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken.

Megjegyzés: Az alfa-részecske kétszeresen pozitív, így egy sugárzó izotóp, felezési időtől függően, hosszú ideig egy állandó átfolyó áramot indukál, ezt a tulajdonságát használják ki a pacemakerekben, hiszen így a beteget nem kell maximum 5-10 évente egy nyílt mellkas műtétnek kitenni, amit egy normál elem cseréje okozna.

[szerkesztés] Nukleáris erőművek

[szerkesztés] Források

Marx György: Atommag-közelben
Ray Mackintosh – Jim Al-Khalili – Björn Jonson – Terra Pena: Az atommag – Utazás az anyag szívébe
Fizikai Szemle: A radioaktivitás felfedezése
A radioaktivitás (sulinet)

A lap eredeti címe "http://hu.wikipedia.org../../../r/a/d/Radioaktivit%C3%A1s.html"

Kategória: Magfizika