Radioaktivitás környezetünkben (Horváth Ákos, őszi félév)

Átírás

1 Radioaktivitás környezetünkben (Horváth Ákos, őszi félév) 1. óra: szeptember 24. (Strádi Andi) Rutherford-kísérlet, neutron felfedezése, ködkamra-kísérletek 2. óra: október 1. (Strádi Andi) elektronszórás, kötési energia, kvarkok, kozmikus sugárzás 3. óra: október 8. (Freiler Ági) izotópok, tömegspektrométer, természetes elemgyakoriság 4. óra: október 15. (Strádi Andi) izotóptérkép, természetben előforduló izotópok, uránsor 5. óra: október 22. (Tonkó Csilla) tóriumsor, radioaktivitás időbeli leírása, radioaktív egyensúly 6. óra: november 5. (Strádi Andi) cézium 7. óra: november 12. (Strádi Andi) urán, tórium, protaktínium 8. óra: november 19. (Strádi Andi) visszalökődés, gamma-spektroszkópia óra: november 26. (Leelőssy Ádám) radioaktív sorok, gamma-spektroszkópia 2., radon exhalációja 10. óra: december 3. (Leelőssy Ádám) természetes radioaktivitás, radon egészségügyi hatásai, dózisfogalmak 11. óra: december 10. (Leelőssy Ádám) sugárvédelem, dózis-határértékek 12. óra: december 17. (Leelőssy Ádám) radonmérési módszerek, radioaktív hulladékok

2 1. óra: szeptember Rutherford-kísérlet Célja: anyag szerkezetének felderítésére (szórás-kísérletekkel) Lényege: α-részecskékkel (hélium atommaggokkal) bombáztak egy vékony aranylemezt, és meglepő eredményt kaptak: az alfa-részecskék kis hányada igen nagy eltérülést szenvedett. Ha az atommag belsejében az anyag többé-kevésbé egyenletesen oszlana el az akkor leginkább elfogadott mazsolás puding modell szerint, akkor az α-részecskék a lemezen, bár lassulva, de eltérülés nélkül haladnának keresztül, hasonlóan, mint a puskagolyó a vízben. Következtetés: az atom nagy része egy kis térrészbe, a magba koncentrálódik, és az elektronok ekörül a mag körül keringenek az elektrosztatikus vonzás hatására. Elmélet: pontszerű szórócentrum, csak EM szórás (a részecske mozgási energiája átalakul potenciális energiává, amikor megáll ) coulomb potenciál: E = = ½ mv 2 = 5MeV 48 fm (atomi méret felső korlátja) ütközési paraméter: ütközési centrumtól mért távolság (jele: b = f(b) 1/sin 4 ( /2)) 1. 2 Neutron felfedezése (Chadwick) Rutherford sejtette meg a neutron létét, kiindulva abból, hogy az rendszám és az atom tömege közötti megfeleltetés hiányos volt (lásd alább, bold-dal kiemelve). Lényege: 226 Ra atomokkal bombáztak egy berilium fóliát, ami mögé egy ólom árnyékolást

3 helyeztek el, de mégis áthaladt rajta valami. Először fotonnak vélték, de kimutatták, hogy a részecske nem nagy energiájú és közel akkora tömegű, mint a proton, de a töltése semleges. + 9 Be = n + 12 C = = Ködkamra kísérletek (Anderson) A ködkamra (másképpen Wilson-kamra) ionizáló sugárzások, töltött részecskék nyomát képes megmutatni. A kamrában túlhűtött gáz található, amely a részecskék által keltett ionokon kicsapódik (kondenzálódik). Ha az egész kamrát erős mágneses térbe helyezik, akkor az elektromosan töltött részecskék töltését, annak előjelét, valamint impulzusát is meg lehet határozni (a pályájuk görbületéből): Lorenz erő: F = q * v x B A kozmikus sugárzás töltött részecskéinek eltérítése: Az eltérült negatív részecske az elektron (ezt már ismerték), a pozitívnak pedig ez előbbivel megegyező a tömege (töltése pedig ellentétes), ezért pozitronnak nevezték el Antiproton Részecskegyorsítóban (ciklotronban) proton gyorsításával, majd hirtelen megállításával annak mozgási energiájából (?) új részecske alakult ki, amelynek tömege a protonéval egyenlő, töltése pedig ellentétes (az ő antirészecskéje).

4 2. óra: október Atommagok mérete A Ruthrford kísérlet alapján 1 fm-nek adódott (valójában 1-6 fm). Ha azonban elektronnal végezzük a kísérletet (és nem részecskével), akkor pontosabb értéket kapunk, mert kisebb és van töltése, így a töltéseloszlás is vizsgálható. A sűrűség eloszlása: Következtetések: proton és neutron összenyomhatatlan és csak a szomszédaikkal hatnak kölcsön (magerő) Magerő: rövid hatótávolságú, erősebb, mint az EM kölcsönhatás, így összetartja a magot N páros és Z is páros stabilabb atommagok, több izotóp (párkölcsönhatás jelleg) Cseppmodell (az atommagban nem túl kötöttek a felületi nukleonok ~ felületi feszültség a víz cseppnél) A magban a tömegszám (A) növekedésével nő a fajlagos kötési energia, mert újabb és újabb nukleonok között jelenik meg vonzó kölcsönhatás. Ez az energiajárulék a térfogati energia, amely az erős kölcsönhatásból származik. A kötési energiát csökkenti az, hogy a mag felületén elhelyezkedő nukleonok nincsenek minden oldalról körülvéve, ezért csak a belül lévők képesek kölcsönhatásba lépni. Ezek a nukleonok nem vesznek részt teljes intenzitással a kötésben. Ezt az energiajárulékot felületi energiának nevezzük. A tömegszám növekedésével az összes nukleonhoz képest egyre kisebb lesz a felszín, így ennek a járuléknak a jelentősége csökken Izotóptérkép A kezdetén túl kevés pár (a relatíve nagy felülethez képest)

5 A végén túl sok proton taszítás (lefelé görbül) - a taszítás Z 2 -tel arányos Y tengely: Z; X tengely: A Az egy nukleonra eső kötési energia és felület összefüggése: Grand Canyon, ahol lefolynak az izotópok a vas tóba :) A 56 Fe-nak van a legnagyobb kötési energiája ( stabilitás völgye )

6 2.3 Antirészecskék (folytatás) elektron+pozitron annihiláció 2 * 511 kev ahol a tömegben tárolt energia sugárzási energiává változik Standard modell: Fermionok: az anyag alkotói (spin = n+1/2) --> páratlan számú kvark leptonok (elektron, müon, tau és antirészecskékik) kvarkok ( up, down...) Barionok: fermionikus hadronok: proton (uud), neutron (udd), lambda (uds), omega (sss) (és antirészecskéik) Bozonok: az erőközvetítők (spin = egész szám) --> páros számú kvark elektrongyenge kölcsönhatás (foton, W, Z) erős (szín) kölcsönhatás (gluon) Mezonok: bozonikus hadronok: pion, kaon,... nem fontos ;) kvark-antikvark pár 2. 4 Kozmikus sugárzás Töltött szubatomi részecskék, főként a napszél által jutnak el hozzánk: 90% proton, 9%, 1% elektron Ionizálhatják a földi légkör molekuláit, így jön létre az Aurora Borealis és Australis (sarki fény): (lásd a következő témakörnél)

7 Színtércső: csőbe sűrűsödő térerősség (~ rugóerő) gluonok (erős kölcsönhatás közvetítői) is rendelkeznek színtöltéssel --> vonzzák egymást Az összehúzódó térerősségvonalak okozta nagy energiasűrűség kvark-antikvark párt kelt ez a kvarkbezárás Kvarkok egyedül nincsenek! Kozmikus részecskékkel való ütközés során a nagy potenciális energia hatására új részecskék is létrejöhetnek: udd + udd dd = mezon ud = mezon (lehet + vagy -, de ezek hamar elbomlanak, viszont Átmennek a fejünkön! van idejük az idődilatáció miatt, miszerint nagy sebességnél az idő lassabban telik (~ űrhajóban)) Bővebben itt (10. diától):

8 3. óra: október két kvark távolítása közben köztük az erős kölcsönhatás hat erős kölcsönhatás a kvarkok között van, közvetítő részecskével közvetítő részecske: gluonok és mezonok színtércső: a térerősségvonalaknak felel meg, ezen át a közlekednek a gluonok a kvarkok között Kvarkbezárás: A kvarkbezárás jelensége az erős kölcsönhatás alapvető jellemzője. Az erős kölcsönhatás forrása a színtöltés, közvetítője a nyolc gluon, helyi szimmetriája pedig a három színnek megfelelően az SU(3) szimmetria. A gluonok tömege zérus, tehát az erős kölcsönhatás végtelen hatótávolságú, hasonlóan az elektromágneses kölcsönhatáshoz, hiszen a fotonok tömege is egzakt zérus. A valóságban azonban nagyon is véges a hatótávolsága, mintegy 1 femtométer, potenciálja közelítőleg a színes részecskék távolságával egyenesen arányos. Ez annak a következménye, hogy - a fotonnal ellentétben - a gluonok maguk is hordozzák a színt (SU3, nemabeli, nemkommutativ mértékrendszer), a kölcsönhatás forrását, tehát saját magukkal is kölcsönhatnak. Ha tehát két kvarkot megpróbálunk egymástól elválasztani, a terük energiája a távolsággal nő, mert a gluonok egyre több újabb gluont és kvark-antikvark párt keltenek közöttük, a kvarkok pedig hadronokká alakulnak, amíg az összes szín el nem tűnik; ezért nem észlelünk szabad kvarkot, ez a kvarkbezárás jelensége. (Wikipédia) 3.2. Sarki fény A sarki fény (az északi féltekén gyakran: északi fény (aurora borealis), délen: aurora australis) a Föld északi és déli sarkánál a légkörbe behatoló töltött részecskék (elsősorban protonok és elektronok) által keltett időleges fényjelenség. Leginkább március április és szeptember október között figyelhető meg. A töltött részecskék túlnyomóan a Napból származnak (napszél), kisebb hányadukat a Naprendszeren kívülről érkezett részecskék teszik ki. A töltött részecskéket a földi magnetoszféra nagyrészt eltéríti, a mágneses pólusok körüli tartományban azonban bejutnak a légkörbe. A részecskék ütköznek a légkör atomjaival, ionizálják és gerjesztik az atomokat, a gerjesztett atomok pedig fénykisugárzással térnek vissza alapállapotukba. A kibocsátott fény az atomra vagy molekulára jellemző színű. A színkép látható tartományában elsősorban az oxigén zöld és vörös, valamint a nitrogénmolekulák kékesibolya vonalai jelentkeznek, a sarki fény az ultraibolya tartományban is erős. A jelenség km magasságban fordul elő, de leggyakrabban 100 km magasságban figyelhető meg. (Wikipédia) 3.3. Izotópok és tömegspektrométer

9 Az izotópokat Ashton fedezte fel megalkotta a tömegspektrométert Tömegspektrométer elemei: ionforrás gyorsítás + elektromágneses tér eltérítés + mágneses tér pályasugár vizsgálat Q/m arányt határoz meg A részecske tömege m, elektromos töltése q, U feszültséggel gyorsítjuk A kinetikus energia: 1/2mv 2 *qu Homogén mágneses térbe kerül (a mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára), Lorentz-erő: ma=f=qvb (a=v 2 /r) mv 2 /r=qvb (v kiesik) v = Bqr/m v 2 =B 2 Q 2 r 2 /m 2 ( v 2 =2qU/m ) m/e=b 2 r 2 /2U Wien-filter: a tömeg pontosabb mérését teszi lehetővé. Az ionforrásból kiszippantott részecskét gyorsítják, egy csőbe ér, az ott levő pozitív és negatív töltések eltérítik a nem v 0 sebességű részecskéket (csak v 0 jut át a szűrőn). Ekkor a mágneses tér és az elektromos tér kiejti egymást: 0=qvB-qE E=vB v 0 =E/B (ha ezt változtatjuk, más lesz a v 0 értéke

10 Részletesebben: 2 féle tömegspektrométer: a mágneses tér állandó a sugarat kell mérni a darabszám függvényében a műszer alján még egy mágneses térrel eltérítjük, így csak az adott részecske tud átjutni a detektorig, így könnyen ki lehet számolni a tömegüket (ha más tömeget akarok mérni, más B kell) Aston neon atomokat mért, aminek kétféle tömege van Az első izotóp, amit így felismertek a 235 U és 238 U volt Így megállapították a természetes elemgyakoriságot, ami az izotópok közti előfordulási gyakoriság (vannak izotópeffektusok - pl. 18 O/ 16 O párolgással változik az izotóparány) Oklo/Gabon U/ 238 U - más az eloszlás, mert természetes atomerőmű működött ott 4. óra: október Iztóptérkép (folytatás) 2 tengelyén: N (y) és Z (x) protonszám csökkenés csak -bomlással vagy maghasadással középtengely: stabil izotópok, felette +, alatta -, a vége-felé -bomlás és spontán hasadás

11 izomér állapot: előidézhető gerjesztett állapot (a legerjesztődéssel a kisugárzott foton detektálható, így a felezési idő kimérhető laborban) 4.2 Természetes radioaktív izotópok 3 H, 8 Be, 14 C, 40 K, 50 V, 75 Ge, 152 Gd, 204 Pb kicsi a relatív gyakoriságuk a természetes háttérsugárzás egy részét adják emberben is előfordul: 4.3 Urán sor 3 H, 14 C, 40 K: - bomlók: 3 H/ 14 C/ 40 K + e + anti(elektron)neutrínó (az elektron nem jut ki a sejtből) A 40 K elektronbefogásra is képes (11% valsz.): 40 Ar * + (elektron)neutrínó legerjesztődésnél -t sugároz ki (1461 kev) = természetes háttér

12 Izotópgyakoriság: 238-as izotóp 99,3 % (talajban 2ppm), 235-ös izotóp 0.7% Ábrák (urán sor) Radon sor is egyben

13 5. óra: október Tórium-sor A tórium többi izotópja már nem megtalálható a Földön (elbomlott), így a 232-es izotóp gyakorisága 100%. A talajban ~10 ppm tórium van Radioaktivitás időbeli változása: N 1 (t) = N 10 * e - exponenciális bomlás = - 1N 1 (t) ebből az egyenletből kapjuk az előzőt 1 - bomlási állandó

14 A leányelem mennyiségét az anyaelem bomlása növeli, saját bomlása viszont csökkenti. = - 2N 2 (t) + 1N 1 (t) = - 2N 2 (t) + 1 N 10 * e - Ez egy inhomogén lineáris differenciálegyenlet, melynek homogén megoldása a következő: N 2 (t) = N 2H + N 2I H: homogén; I: inhomogén N 2H (t) + N 2I (t) = - 2(N 2H (t)+ N 2I (t)) + 1 N 10 * e - N 2H (t) = - 2N 2H (t) N 2I (t) = - 2N 2I (t) + 1 N 10 * e - N 2H (t) = A * e - N 2I (t) = B * e -, ha ezt deriváljuk - 1B * e - = - 2B * e N 10 * e - - 1B = - 2B + 1 N 10 ( 2-1)B = 1 N 10 N 10 N 2 (t) = A * e - + N 10 * e - Ha t=0, N 2 (0) = 0 0 = A * e -0 + N 10 * e -0 0 = A + N 10

15 A = - N 10 N 2 (t) = N 10 ( e - - e - ) 5.3. Radioaktív egyensúly A = N A: aktivitás = időben állandó R(t) = = = R(t) = ( 1 - e ( ) Ha 1 kisebb, mint 2, azaz T 1 nagyobb, mint T 2 és 1-2 negatív, akkor mozgó egyensúlyról beszélünk Ha t jó nagy, akkor R(t) =. Ha 1, T T 2 R(t) = =1, akkor szekuláris egyensúlyról beszélünk.

16 6. óra: november 5. Cézium Alkálifém, nagyon reaktív, ezért csak vegyületekben fordul elő A 133-as izotóp természetes A mesterségesek felezési ideje rövid, kivéve a 134, 137 A 137-es izotóp: Radioaktív, felezési idő: 30.1 év - bomlásával 137 Ba m 137 Ba (stabil) keletkezik (ez utóbbi 662 kev-es gamma csúcsa jól detektálható) Származása: 235 U az atomerőművekből (a csernobili balesetből például) és legköri atomkísérletekből ( ), orvosi alkalmazása is van (rák gyógyítása ) Lassan ülepszik ki az esővel (nedves kiülepedés) és ugyancsak lassan migrál a talajban, melynek felső rétegében alacsony koncentrációban fordul elő az erózió hatásai miatt A növények számára felvehető (mert minden formában vízoldható), nagy kationcserélő képességű, így Na-ot és K-ot helyettesíthet (azonos oszlopban vannak a periódusos rendszerben), de agyagásványokban is megkötődhet Cézium a természetben 1. A cézium 137 hogyan keletkezik, és miért ilyen sok?

17 1.1.Az urán 235 hasadásakor keletkező izotópok eloszlása ( Az izotóptérkép atommagjaira rárajzolva, a színek a felezési időt mutatják:

18 A cézium 137 helyét a lila nyíl mutatja a térképen, felezési idejét pedig a kis táblázaton. A lila ellipszisekkel jelölt területen lévő izotópok keletkeznek nagy valószínűséggel a hasadásban. Ezek közül a legtöbb néhány óra alatt elbomlik, és más stabil vagy hosszabb felezési idejű izotóp keletkezik. A napnál hosszabb felezési idejű izotópok már ritkán vannak pl. I-137. Azért fontos a cézium 137, mert ez a leghosszabb felezési idejű hasadáskor ill. utána keletkező atommag A hasadáskor olyan atommagok keletkeznek, amelyek a 0,0 pontot és a 92,143 (235U) pontot összekötő egyenes mentén vannak. Ennek oka, hogy az urán 235-t véletlenszerűen vágja ketté a hasadás, és az eredeti Z/N = 0,64 arány marad a két hasadványban is. Az egyenes egyenlete Z=0,64*N. A cézium 137-nél ez 0,67. Z=55, N= A cézium azért ilyen hosszú felezési idejű, mert a neutronok száma benne mágikus szám N=82, lezárt neutron héjakat alkotnak a neutronok, és ezért nagyobb a kötési energiája egy kicsit, mint az átlagos Az urán-235 hasadásakor keletkező izotópok tömegszámának eloszlása, két púpú teve : Az eloszlásnak A=95-nél és A=135-nél van a maximuma. A cézium 137 tömegszáma közel van a 135-höz, ezért sok keletkezik belőle. De keletkezik más hasadványok béta-negatív bomlásakor is Nuclear and isotope applications

19 Caesium-137 is a very common radioisotope used as a gamma-emitter in industrial applications. Its advantages include a half-life of roughly 30 years, its availability from the nuclear fuel cycle, and having 137Ba as stable end product. The high water solubility is a disadvantage which makes it incompatible with irradiation of food and medical supplies. It has been used in agriculture, cancer treatment, and the sterilization of food, sewage sludge, and surgical equipment. Radioactive isotopes of caesium in radiation devices were used in the medical field to treat certain types of cancer, but emergence of better alternatives and the use of water-soluble caesium chloride in the sources, which would create wide range contamination, gradually put some of these caesium sources out of use. Caesium-137 has been employed in a variety of industrial measurement gauges, including moisture, density, leveling, and thickness gauges. It has also been used in well logging devices for measuring the electron density of the rock formations, which is analogous to the bulk density of the formations. Isotope 137 has also been used in hydrologic studies analogous to those using tritium. It is produced from detonation of nuclear weapons and emissions from nuclear power plants. With the commencement of nuclear testing around 1945, and continuing through the mid-1980s, caesium-137 was released into the atmosphere where it is absorbed readily into solution. Known year-to-year variation within that period allows correlation with soil and sediment layers. Caesium-134, and to a lesser extent and caesium-135, have also been used in hydrology as a measure of caesium output by the nuclear power industry. While they are less prevalent than either caesium-133 or caesium-137, these isotopes have the advantage of being produced solely from anthropogenic sources. 2. Hogyan került a talajba? 2.1. Atombomba tesztrobbantások Ekkor a szabad légkörbe került és felment a sztratoszférába, ott elkeveredett és mindenhol kihullott. Persze legtöbb a robbantás közelében. Pl. Bikini atoll (Csendes Óceán) (Miért és kik csinálták, mikor szüntették be) oroszok, amerikaiak 80-as évekig. 2.2 Csernobili reaktorbaleset A szélirány alapján eljutott a felhőkkel egész Európába. Kihullási folyamat: esővel leesik és a talajban köt ki. The portion of the total radiation dose (in air) contributed by each isotope versus time after the Chernobyl disaster depicting caesium isotopes becoming the major source of radiation about 200 days after the accident (a cézium volt a fő forrása a sugárzásnak 200 nap eltelével) A mértékegysége: kbq/m 2. Ez arányos azzal, hogy hány darab cézium 137 atom esett le 1 m2- re.

20 3. Cézium mozgása a talajban. Milyen folyamatokkal megy: diffúzió, konvekció, példák a magyar talajokban Szerbin sok ábrája, hány cm-ig jutott. Megkötődés, visszaoldódás. frayed edge sites, hogyan kötödik az agyagásványokhoz: alkálifémeket helyettesíti (Na, K) miért pont az agyagásványokhoz: sok bennük a Na és K, amit kicserélhet (kationcserélő képesség)

21 7. óra: november Urán: 235-ös izotóp felezési ideje: 700 millió év; 238-as izotóp: 4.4 MRD év izotópgyakoriság: = 1.16% (235-ös) és 49.2% (238-as) lenne most, ha a Föld keletkezésekor egyenlő lett volna a két izotóp mennyisége. De nem így volt: = ennyivel csökken az arány azaz 4.4 MRD év alatt: * A1 arány van most (A arány volt régen): A=N =N*ln2/T 1/2 = 0.007N * ln2/ 700 mill. év = A * ln2/4.4 MRD év= A 238 az aktivitások aránya Bővebben (urán sor)

22 235 U ásványai: U 2 O 3 (ritka földfémeket -lantanidák, aktinidák - helyettesíti), UO U: 250 millió év felezési idejű, ami elég hosszú a radioaktív egyensúly (5* anyaelem felezési ideje) kialakulásához 7. 2 Tórium mind elbomlott, kivéve a 232-es izotóp agyagásványokban lelhető fel 7. 3 Protaktínium 234 Pa m metastabil (atommag gerjesztett állapotban van) legerjesztődik: 234 Pa stabil A fenti képen kékkel jelölt fotonnak van az az ominózus 1001 kev-es csúcsa! Atomi szint: 234 Th 234 Pa + e - + anti(elektron)neutrínó Nukleon szint: n p + e - + anti(elektron)neutrínó Kvark szint: (ud)d u + w - u + e - + anti(elektron)neutrínó (w a a töltéskülönbséget, majd gyorsan elbomlik) -bomlás közvetítője, elviszi

23 8. óra: november Gamma spektroszkópia a detektor érzékeny térfogatában maradt energiát mérjük a mérendő részecskék (itt az elektromosan semleges kvantum) és a detektor anyagának kölcsönhatása: i. fotoeffektus (teljes energia átadódik) ii. Compton-szórás (az E egy része adódik át) iii. párkeltés (foton a vákuumból kipolarizál egy e - -t és egy e + -t, ami utóbbi az anyagban lévő e - -nal annihilálódik 2 db 511 kev-es foton) félvezető detektorral mérjük (lyuk-elektron párok képződnek, az elektronokat a vezetési sávba taszítva) nagy fesz.-t kapcsolunk rá, hogy a ly-e párok ne rekombinálódjanak + hűtjük amplitúdó analizátor alakítja az elektromos jelet digitális jellé az energiákat csatornákba osztja, így alakulnak ki a csúcsok Bővebben (spektrumok) fotonok száma ( ) ~ csúcsterület ( ) problémák: Ra (186.1 kev) és 235-U (185.7 kev) átfednek (lásd a 9. óránál) 8.2 Visszalökődés A rádium bomlásakor kilökődik a radon és vele ellentétes oldalon egy alfa-részecske Eközben Q energia szabadul fel: m o c Ra = m o c Rn + m o c 2 alfa + Q Q = E mozgási (Rn) + E mozgási (alfa) Q = ½ m Rn v 2 Rn + ½ m alfa v 2 alfa Impuzus: p = mv p 2 /2m Rn + p 2 /2m alfa = Q..

24 . E alfa = Q/( + 1) = Rn/Ra * Q E visszalökődési = Q - E alfa E visszalökődési = (E mozgási (Rn) + E mozgási (alfa) ) - (Rn/Ra * Q) = 88 kev

25 9. óra: november 26. Radioaktív sorok α-bomlás esetén a tömegszám -4-gyel változik, β- és γ-bomlás esetén nem változik, másmilyen radioaktív bomlás pedig a természetes sorokban nincs. Ezért az egy radioaktív sorba tartozó elemek tömegszámát 4-gyel osztva azonos maradékokat kapunk. A 4 természetes radioaktív sor: 0 maradék: tóriumsor 232 Th 2 maradék: uránsor 238 U 3 maradék: aktíniumsor 235 U + 1 maradék: neptúniumsor már elbomlott, csak a stabil végtermék van jelen: 209 Bi, 205 Tl Bővebben Gamma-spektroszkópia (folytatás) Probléma: 226 Ra és 235 U bomlásakor is keletkezik 186 kev-es γ-foton. Más radioaktív sorban vannak! Meg kellene állapítani, hogy a spektrum 186 kev-es csúcsának hányad (α) része tartozik a rádiumhoz: Felhasználjuk a spektrum más csúcsait: 143 kev 235 U 1001 kev 234 Pa ( 238 U-val, 226 Ra-val egyensúlyban) A 235 U csúcsának területét behelyettesítve: Hasonlóan:

26 A 143 kev-es, vagy az 1001 kev-es csúcs területének ismeretében így megállapítható a 186 kev-es csúcsban a Ra/U területének α aránya. Melyik alapján pontosabb a mérés? A mérés pontossága függ: - hatásfok - relatív gyakoriság - háttérsugárzás A háttérsugárzás 1001 kev-en gyengébb! Ennek oka: Compton-háttér A spektrum csúcsaihoz tartozó fotonok Compton-szórással veszíthetnek energiájukból. Ez minden csúcshoz tartozóan a nála kisebb energiákon elkent háttérzajt okoz. Az egyes csúcsok Compton-háttere összeadódik, ezért alacsony frekvencián nagyobb a zaj, mint magas frekvenciákon. Compton-háttér (forrás: A radioaktív egyensúly megbomlása 609 kev-en található a gamma-spektrum legnagyobb csúcsa ( 214 Bi) Ez miért nem használható az urán mennyiségének mérésére? A 214 Bi a 226 Ra és a 222 Rn után van a radioaktív sorban. Ennél a két elemnél megszakadhat a radioaktív egyensúly: a rádium kioldódik a kőzetekből (geokémiai út) a radon kidiffundál az anyagból (emanáció, exhaláció)

27 Emanáció: a radon kilépése a kristályból (mikroszkópikus) Exhaláció: a radon kilépése az anyagból (makroszkópikus) - ez mérhető. A 214 < A 226, mert szökik a radon. Megkötése pl. aktív szénnel. A 226 -A 214 -ből számolható a radonexhaláció mértéke. Másik baj: 222 Rn felezési ideje 3 nap, a sorban mögötte lévő 210 Pb-é 21 év. A radioaktív egyensúly feltétele, hogy az anyaelem felezési ideje nagyobb legyen a leányénál. Következtetés: a 238 U általában nincs radioaktív egyensúlyban a radon utáni elemekkel.

28 óra: december Radioaktív dózisfogalmak Dózis: D = E / m Egyenérték-dózis: H = Q x D (x N) egységnyi tömegben elnyelt energia mértékegység: gray (Gy) a roncsolás mértékét jellemző minőségi faktorral súlyozott dózis Q = 1 béta- és gamma-sugárzásra Q = 2-20 alfa-sugárzásra mértékegység: sievert (Sv) Effektív dózis: az egyes testrészek érzékenységével súlyozott egyenérték-dózis mértékegység: sievert (Sv) Átlagos természetes dózis: 2,4 msv/év forrásai: kb. 50 %-át okozza a radon (+ leányelemei) átlagos radonkoncentráció: 1000 Bq/m 3 (talajban, barlangokban) Bq/m 3 (szobában) Bq/m 3 (szabadban) határérték kb. 400 Bq/m 3, de Magyarországon nincs hivatalosan érvényben kozmikus háttérsugárzás természetes radioaktív izotópok emberben: 40 K, 14 C, 3 H talajban: 238 U, 232 Th, 40 K Dóziskorlátok Sztochasztikus hatás

29 Kis dózis, az érintetteket x valószínűséggel (nem biztosan) éri egészségkárosodás. Nagy tömeget érő besugárzás esetén az érintettek x hányadánál tapasztalható egészségkárosodás. Megállapítása mérésekből: Hiroshima, Csernobil 2,4 msv/év átlagos természetes dózis (mindenki megkapja) 5 msv/év lakosság számára megengedett határérték 25 msv/év sugárveszélyes helyeken dolgozóknál megengedett határérték egészségkárosodás veszélye a társadalmilag átlagos munkahelyi kockázatnak felel meg társadalmilag átlagos munkahelyi kockázat: 1 baleset / dolgozó (100 mikrorizikó) (mikrorizikó: munkahelyi balesetben meghalt emberek száma / 1 millió) Determinisztikus hatás Nagy dózis, az érintettek mindegyikén azonnali (akut) tünetek tapasztalhatók. 300 msv akut rövidtávú hatások (égés, bőrpirosodás) -> CT vizsgálat 5-7 Sv félhalálos dózis (azonnali halál esélye 50 %) -> sugárterápia Radon, mint nyomjelző: szabadban: légköri határréteg magassága (turbulens diffúzió) talajból: egyéb gázok fluxusa (pl: CO2 = 222 Rn) betérben: építőanyag (beton: salakban, tégla: agyagásványokban a ritka földfémek helyettesítője) U, Th, (Ra) -tartalma

30 12. óra: december 17. Radonmérési módszerek 1. Szilárdtest-nyomdetektor Szilárdtest-nyomdetektor Alfa-részecskék roncsolják a polimer anyagú lapka felszínét (az alfa-részecske töltése miatt fékeződik és ionizálja a környezetét, kis úthosszon nagy energiát ad le.). NaOH-os maratás után a roncsolások lyukakká nőnek, mikroszkóppal számolható. Nyomsűrűség ~ aktivitás Mérési idő: 3 hónap Alfa-részecske által leadott energia a távolság függvényében: Elnyelődés úthossza levegőben kb. 3-4 cm, anyagban néhány mikrométer.

31 2. Aktív szén Aktív szén felületén megkötött gázok. Mérési idő: 8 nap (dinamikus egyensúly beállása megkötés-kilépés között) Germánium detektorral (HPGE) felvesszük a gamma-spektrumot, 214 Bi (609 kev) és 214 Pb csúcsait látjuk. vagy: 10 ml optifluoro -ba vezetjük az aktív szénről kilépő gázt optifluoro: radont jól oldja, szcintillál, jól párolog Mérési elrendezés: aktív szén -> optifluoro -> fotoelektron-sokszorozó 3. Radon monitorok: RAD7, AlphaGuard, LUKAS-kamra, Pylon-AB RAD7: félvezető detektor, pozitív töltésű leányelemeket detektálja (kiszabaduló alfa-részecske leszakított róluk néhány elektront). Jól elkülöníthetőek általa a leányelemek. AlphaGuard: ionizációs kamra: 600 V feszültségre töltött hengerkondenzátor, fegyverzetek között gyorsuló elektron, ütközéses ionizáció, még több elektron gyorsul, újabb ütközéses ionizáció, stb. --> gázerősítés. Radont és leányelemeket is detektál, de nem olyan jó elkülönítéssel, mint a RAD7 LUKAS-kamra, Pylon-AB: szcintillációs detektorok ZnS-os (szcintilláló) bevonat + fotoelektron-sokszorozó rossz energiafelbontás: nem tudja elválasztani a radont a leányelemeitől megoldás: várunk 5 felezési időt Radonmérés vízben 1. Kibuborékoltatás Gázmosó palack - levegőbuborékba beoldódik a radon c(levegő) / c(víz) = 4 (standard körülmények között) Visszavezettük a levegő radonkoncentrációjának mérésére. 2. Folyadékszcintillációs spektroszkópia (TriCarb)

32 10 ml optifluoro és 10 ml víz (nem összekeverve) koincidenciába kötött fotoelektronsokszorozókkal körülvéve. C levegő = 4, C víz = 1, C koktél = 12. CPM ~ C víz (Bq/L) c(optifluoro) / c(víz) = 12 (standard körülmények között) Visszavezettük az optifluoro radonkoncentrációjának (szcintillációs) mérésére. Példák: (értékek valós mérésekből) talajban lévő víz radonkoncentrációja talajlevegő radonkoncentrációja (négyszeres) 25 Bq/m 3 (átlagos) 100 Bq/m kbq/m kbq/m 3 30 Bq/l 120 kbq/m 3 Talaj átlagos urántartalma: 2 ppm 3. Kidiffundálás Radioaktív hulladékok kis- és közepes aktivitású (kesztyűk, védőfelszerelés) nagy aktivitású (fűtőelemek, transzuránok: Np, Pu, Cm): Veszélyes izotópok: nagy aktivitás, hosszú felezési idő, mobilis (pl. vízoldható) Hasadványok nagy része rövid felezési idejű, hamar visszatér a stabil főágra az izotóptérképen.

33 Probléma: cézium uránból neutronbefogással keletkező transzurán elemek 133 Cs: kb. 1 év felezési idő - 5 év pihentetéssel megoldható --> KKT: kiégett kazetták átmeneti tárolója 137 Cs: kb. 30 év felezési idő - baj, hosszútávú tárolás kell 239 Pu: kb év felezési idő + más transzuránok, pl. kűrium: ezer-százezer év felezési idő Végleges tároló kell: föld alatt, tektonikus törések után is öngyógyuló agyagásványokban. (pl. Bodai aleurolit formáció) Kezelés: Kémiai processzálás szilárd fázissá, majd elhelyezés