Szülő-Csatorna : Atomfizika

Természetes radioaktivitás

Becquerel különböző ásványokat vizsgált, amelyekről azt feltételezte, hogy ha fényhatásnak teszi ki őket, akkor azok utóvilágítást mutatnak. Először röntgensugárzásra gyanakodott, ezért - mivel az minden anyagon áthatol - fekete papírba csomagolva egy fiókba tette fotolemezei mellé. Azok természetesen megfeketedtek. Ez akkor is bekövetkezett, ha előzetesen nem világította meg az ásványokat. Ezért Becquerel 1896. március 5-én kijelentette, hogy az urántartalmú ásványok röntgensugárzást bocsátanak ki.

Maria Sklodowska (Curie felesége) 1898. december 26-án az uránnál milliószor erősebben sugárzó anyagot választott ki. Ezt rádiumnak nevezte el (radius - sugár). Nem sokkal ezután egy másik anyagot is találtak, amely 5000-szer jobban sugárzott a rádiumnál. Ez a polónium nevet kapta (Lengyelország után). 1903-ban a sugárzás vizsgálata terén elért eredményeikért Nobel-díjat kaptak. Marie Curie nevezte el ezeket az anyagokat radioaktív anyagoknak, a jelenséget radioaktivitásnak, a sugárzást pedig radioaktív sugárzásnak. A radioaktív sugárzás vizsgálata céljából Curie-ék több, mint egymillió tonna olcsó érchulladékot szereztek be egy osztrák uránfesték gyárból. Mindebből 0,1 g tiszta RaCl₂-t sikerült kiválasztaniuk.

A radioaktív sugárzás hatásai:

a fotopapírt megfeketíti
fluoreszcenciát okoz
ionizálja a gázokat
károsítja az élő sejteket

Később megvizsgálták a radioaktív sugarakat elektromos térben, és kiderült, hogy a sugárzás három összetevőre bontható.

sugárzás: pozitív töltésű He atommagokból áll, melyeknek sebessége 13000-21000 , energiája pedig 2-10 MeV. A részecskék az alagút-effektus révén jutnak ki a magból. Az atom tömegszáma néggyel, rendszáma pedig kettővel csökken egy -részecske kibocsátása során. Hatótávolsága a levegőben néhány cm, de már egy papírlap is képes elnyelni. Levegőbeli útjuk során az -részecskék kb. 20 - 40000 iont állítanak elő. A szervezetben lévő; sugárzó anyagok által kibocsátott -sugárzás igen veszélyes lehet (pl. a tüdőre).

sugárzás: elektronok áramlása, sebességük a fénysebesség 99,8%-a is lehet. Az elektronok nem a héjból származnak, hanem a magból: egy neutron protonná és elektronná alakul, az elektront a mag kilöki magából, a maradék felszabaduló energiát pedig egy neutrinó viszi magával. Egy részecske kibocsátása során tehát az atom tömegszáma változatlan marad, rendszáma eggyel nő. Levegőbeli hatótávolsága pár méter, az elektronok útjuk minden cm-én 50-100 iont hoznak létre. A testbe csak néhány mm-re hatol be, így főként a bőrt és a szemet károsítja. A testbe került -sugárzó anyag természetesen veszélyes.

A -sugárzáshoz sorolják azt az esetet is, amikor a magban egy proton neutronná és egy pozitronná bomlik, és a pozitront kisugározza. Ekkor pozitron emisszióról beszélünk, míg az előtte tárgyalt esetben elektron emisszióról.

Elekron emisszió:

Pozitron emisszió:

sugárzás: nagyenergiájú fotonokból áll, amelyek fénysebességgel haladnak. A - sugárzás csak másodlagos: úgy keletkezik, hogy az atommag egy - vagy -részecske kilökése után gerjesztett állapotban marad és energiatöbbletét -kvantumként kisugározza. A természetes radioaktív sugárzások közül a -sugárzás a legveszélyesebb, mert ennek van a legnagyobb áthatolóképessége. Az emberi szervezeten könnyedén áthatol és csak 3,3 cm vastag ólomlemezzel fékezhető le. Háromféle módon gyengülhet ill. szűnhet meg a -sugárzás:

1. Fotoeffektus során teljesen felemésztődik az energiája.

2. Compton-effektus során szóródva lecsökken az energiája

3. Párképződés alkalmával elektron-pozitron párrá alakul (nagy energiájú -foton esetén)

Radioaktív bomlás során tehát új elemek keletkeznek. Ezek is lehetnek radioaktívak, és tovább bomolhatnak. Így egész hosszú ú.n. bomlási sor alakulhat ki. Négy nevezetesebbet érdemes megemlíteni: a tórium 232-es, a neptúnium 237-es, az urán 238-as és az aktínium 235-ös izotópjának bomlási sorát.

Alkalmazásuk:

daganatos betegségek sugárkezelése
kormeghatározás C14-módszerrel
gyógyszerek sterilizálása
élelmiszerek tartósítása
anyagok rétegvastagságának mérése
ötvözetek hibáinak felderítése
fluoreszcencia kiváltása (pl. óramutatók fluoreszkálása)

A felezési idő

Miközben egy anyag radioaktív sugárzást bocsát ki, átalakulnak atommagjai. Pl. 1g Ra 1s alatt 36,8 milliárd -részecskét sugároz ki, így 1590 év alatt a Ra atomok fele átalakul másfajta atommá. Azt az időt, amely alatt egy anyag atomjainak a fele bomlik el más atommá felezési időnek nevezzük. A következő táblázat tartalmazza a radioaktív elemek felezési idejét:

Elem neve	Atomtömege	Rendszáma	Sugárzás típusa	Hatótávolsága	Felezési ideje	Milyen elemmé alakul
Urán	238	92		2,5 cm	4,56 milliárd év
Rádium	226	88		3,2 cm	1590 év
Polónium	210	84		3,7 cm	140 nap
Tórium	232	90		2,7 cm	13,9 milliárd év

Az eddig ismert radioaktív atommagok felezési ideje tartományba esik. A két határértékre példa a Po-212 és a Pb-206.

Ha T-vel jelöljük a felezési időt, akkor T idő; múlva az atomoknak csak a fele, 2T idő múlva negyede, 3T idő múlva már csak a nyolcada lesz meg eredeti formájában:

Általánosítva az összefüggést, felírható:

A C-14 módszer

A radioaktív iztópokat ma már a tudomány több területén használják. Többek közt az orvostudományban, az anyagszerkezet-vizsgálatban és a régészetben is. Ez utóbbiban terjedt el a C-14 módszer, amely a 14-es tömegszámú szénizotópot használja kormeghatározásra. Ez a nitrogénből keletkezik, amikor atommagja a kozmikus sugárzásból érkező neutronokkal ütközik. A reakció: . A C-14 izotóp felezési ideje 5736 év, ami könnyűvé teszi a számolást az emberi történelem múltjában. Ennek lényege a következő: a növények a levegőben lévő C-14 atomokat beépítik szervezetükbe a stabil C-12-vel együtt. A növények elpusztulása után az előbbi atomok magjai az idők során elbomlanak béta-bomlással nitrogénné, míg az utóbbi atomok száma az elhalt növényben nem változik. Így megváltozik az elhalt növényben a C-14 és a C-12 atomok számának aránya. Feltéve, hogy az utóbbi pár ezer évben a levegőbeli arányuk állandó volt, következtetni lehet a növény korára (hisz abban az arány az idő függvényében a C-14 rovására folyamatosan csökken). Pontosabb a kormeghatározás, ha a két izotóp levegőbeli arányának változását a fák évgyűrűinek vizsgálata alapján figyelembe veszik.

Sugárzásvédelem

Környezetünk által állandó sugárzásnak vagyunk kitéve. A világűrből érkező kozmikus sugárzás is tartalmaz radioaktív összetevőt,de a földkéregben is megtalálhatók a legerősebben sugárzó anyagok: urán, tórium, rádium stb.

A levegőben lévő radioizotópok gáz vagy porhoz tapadt részecskék formájában vannak jelen.

A radioizotópok bármely felületen megtapadhatnak és sugározhatnak.

A legveszélyesebb a szervezetbe kerülő sugárzó anyag, hiszen sejtjeinket közvetlen közelrő;l roncsolja. A legnagyobb mértékben a stroncium-90 és a cézium-137 található meg szervezetünkben. A legveszélyesebb, ha a radioizotópok egy szervben felhalmozódnak fel. A jód-131 pl. a pajzsmirigyben koncentrálódik, a rádium, a plutónium és a stroncium a csontokban rakódik le, ahonnan már nem tud kiürülni, és a csontvelő károsodását okozza. A szervezetbe belégzés vagy táplálkozás során kerülhetnek radioizotópok. A levegőből lehulló sugárzó anyagok előbb-utóbb növények vagy állatok szervezetébe jutnak. Ezeken keresztül pedig a mi szervezetünkbe is eljuthat.

Ha nagyobb sugárzás éri az embert, elsőként vérképző szerveit károsítja, majd az emésztőrendszert, végül pedig a központi idegrendszert. A kisebb sugárzásdózis is igen veszélyes lehet, hiszen lehet hogy csak évtizedek múlva fejti ki hatását pl. rák formájában. A génekben maradandó károsodást okozhat.

A megfigyelés eszközei

a) Szcintillációs ernyő: a fluoreszkáló anyaggal bevont ernyőn a közelében elhelyezett radioaktív preparátum felvillanásokat okoz, amelyeket nagyító alatt akár szabad szemmel is megszámolhatunk. Ez azonban igen fáradságos, ezért a radioaktív sugarak útjába egy kristályt tesznek, amelybl a sugárzás elektronokat vált ki, ezeket pedig elektronsokszorozóval megsokszorozzák, amely áramimpulzusokat hoz létre.

b) Ionizációs kamra: a preparátum és a közelébe helyezett fémlemez egy elszigetelt kamrában van. A fémlemez összeköttetésben van egy elektroszkóppal. Mivel a kamrában lévő levegő a radioaktív sugárzás hatására ionizálódik, ezért az elektroszkóp a sugárzás intenzitásától függő idő alatt elveszíti a töltését.

c) Wilson-féle ködkamra: az átlátszó üveggel fedett kamrában a telítettségi állapotához közeli víz- vagy alkoholgőz van. Ha a kamrából egy dugattyú segítségével hirtelen lecsökkentjük a nyomást, akkor a gőz túltelítetté válik és a felesleges pára kicsapódik az ún. kondenzációs magokon. Ilyen magot jelentenek a különböző sugárzások által a kamrában keltett ionok. Ezáltal a beérkező részecskék pályája pár tized másodpercig látható.

d) Fotolemez: a fényérzékeny réteget érő ionizáló sugárzás az ezüst-bromidot megfeketíti, így a részecskék útja láthatóvá válik.

e) Geiger-Müller-számlálócső: egy üveg vagy fém csőben hosszirányban egy vékony huzal, az anód fut végig. Katódként a cső belső falán lévő fémbevonat szolgál. Köztük 1000-1500 V feszültség van. A csőbe kerülő radioaktív részecske ionizálja a benne lévő gázt (levegő, argon, alkoholgõz) és így pályája mentén az "ioncsatornában" elektronok árama indul meg a katódról az anódra. Az így létrejött áramlökést egy ellenálláson átvezetve, ott feszültségesés jön létre, amely felerősíthető, detektálható.

f) Buborékkamra: ha a kamrában lévő folyadék hőmérséklete közvetlenül a forráspont alatt van és a kamrába nagy sebességű részecske érkezik, akkor pályája mentén forrni kezd a folyadék, és ez rövid ideig látható marad (pár milliomod másodperc).

g) Szikrakamra: a kamrában kb. 1 mm-re lévő párhuzamos fémlemezek vannak, felváltva váltakozó előjelű potenciálra kötve (egyik pozitív, a másik negatív). A feszültség éppen az átütési feszültség alatt van. Ha egy részecske szeli át a lemezeket, akkor pályája mentén a levegő (neon) ionizálódik és a lemezek közt szikrakisülés jön létre, ez pedig látható (pár tized másodpercig).