Radioaktivitás
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
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.
Tartalomjegyzék |
[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 (az angol szócikkből):
| Reakció | Résztvevő részecskék | Mag gerjesztettség |
Változás a rendszámban |
|---|---|---|---|
| Alfa-bomlás | Két n0 és két p+ hagyja el a magot | Növekszik | Csökken kettővel |
| (Negatív) Béta-bomlás | Egy n0 kibocsát egy e--t és egy antineutrínót és p+-ná alakul | Növekszik | Növekszik eggyel |
| Gamma-bomlás | A gerjesztett mag kibocsát egy nagyenergiájú fotont (gammasugárzás) | Csökken | Nem változik |
| (Pozitív) Béta-bomlás | Egy p+ kibocsát egy pozitront és egy neutrínót és n0-ná válik | Növekszik | Csökken eggyel |
| magátalakulás | A gerjesztett mag energiát ad egy a mag körül „keringő” e--nak és kilöki | Csökken | Nem változik |
| Proton-emisszió | Egy p+ kilökődik a magból | ? | Csökken eggyel |
| Neutron-emisszió | Egy n0 kilökődik a magból | ? | Nem változik |
| Elektronbefogás | Egy p+ egy „keringő” e--nal kölcsönhatva neutrínót bocsát ki és n-ná válik | ? | Csökken eggyel |
| Spontán maghasadás | A mag szétszakad kettő vagy több kisebb magra és más részecskékre | ? | ? |
| magbomlás | A mag kibocsát egy speciális (az alfa-részecskénél nagyobb) kis atommagot | ? | ? |
| Kettős béta-bomlás | a mag két neutronja protonná alakul, miközben két elektron és két elektron-antineutrínó szabadul fel | növekszik | Növekszik kettővel |
[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:

Ezt integrálva kapjuk a bomlási törvényt:

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 felezési időt (T): ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni:

Ha ismerjük egy izotóp felezési idejét, akkor egy adott forrás aktivitása (A) könnyen meghatározható:

[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] Biológiai hatásai
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
Atomreaktorok
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).
A radioaktív nyomkövetés /=nyomjelzés/ (Hevesy György) 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.


Based on work by