RADIOKÉMIA. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 1

Átírás

1 RADIOKÉMIA VILÁGUNK ATOMOS FELÉPÍTÉSŰ! ATOM pozitív atommag, r~10-15 m, protonok és neutronok, negatív elektronfelhő atomsugár~10-10 m, a tömeg az atom kiterjedésének öd részében összpontosul NUKLEONOK PROTONOK SZÁMA(Z)+NEUTRONOK SZÁMA(N)=TÖMEGSZÁM(A) r = r A = 1,3 10 A atommag hidrogénmag KÉMIAI REAKCIÓK vegyérték elektronok reakciói ev nagyságú energia MAGREAKCIÓK a magok közötti reakciók MeV nagyságú energia Elektron volt (ev) Az az energiamennyiség, melyet az elektron akkor nyer, amikor 1 volt potenciálkülönbség hatására gyorsul: 1 ev = x J A kötési energiát általában megaelektronvolt (MeV) egységben fejezzük ki: 1 Mev = 10 6 ev = x J Különösen hasznos egység a tömeghiány kifejezése atomi tömegegységben (atimic mass unit, AMU): 1 AMU = x 10 6 ev = Mev Dr. Pátzay György Radiokémia-I 1 A protonok és neutronok egyesülésekor létrejött atommag tömege kisebb, mint az atommaghoz szükséges protonok és neutronok számának összege! A tömegkülönbséggel arányos energia a kötési energia. A mag sűrűsége óriási (10 14 g/cm 3 ), azaz szor nagyobb, mint a köznapi életben megszokott sűrűség (1-10 g/cm 3 ). Pl. Mg 12protonból+12 neutronból képződik, de a mag tömege valójában csak 23,985045! Einstein tömeg-energia ekvivalencia összefüggése: ΔE= Δm.c 2 1 g anyag J energiával ekvivalens. 1 atomi tömegegység (atomic mass unit, AMU) 1 AMU=1, g 1, J=931 MeV Atommagok kötési energiája függ a tömegszámtól: E kötési 2 = ΔE = Δm c = (Z m proton Az 1 nukleonra eső (fajlagos) kötési energia: E kötési / A 2 = ΔE / A = Δm c / A = (Z m + N m proton neutron kötési energia = ΔmAMU 931MeV / amu + N m m neutron mag ) c m 2 mag 2 ) c / A Értéke az 56 Fe magnál maximális, előtte és utána csökken! Az egyes elemek maganyagának sűrűsége kb. állandó. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 2 1

2 A 4 2He keletkezése Dr. Pátzay György Radiokémia-I 3 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 4 2

3 Az 1 nukleonra eső kötési energia a tömegszám függvényében IZOTÓP azonos protonszámú (rendszámú) de különböző neutronszámú (tömegszámú) atommagok IZOBÁR különböző protonszámú és neutronszámú, de azonos tömegszámú atommagok IZOTÓN különböző protonszámú, de azonos neutronszámú atommagok A legstabilabbak a földön a páros protonszámmal és páros neutronszámmal rendelkező (páros-páros) atommagok, ezek alkotják a föld kérgének 80%-át ( O, Mg, Si, Ca, Fe, Ti ) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 5 ATOMOK A SZÉN IZOTÓPJAI Dr. Pátzay György Radiokémia-I 6 3

4 A hidrogén izotópjai és az atomtömeg Isotóp Atom tömeg gyakoriság atomtömeg gyakoriság 1 H H H nyomnyi A H atomtömege = = Dr. Pátzay György Radiokémia-I 7 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 8 4

5 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 9 A RADIOAKTIVITÁS FÖLFEDEZÉSE Röntgen 1895 X-sugárzás felfedezése. Becqerel 1896 Urániumsók foszforenciájának vizsgálata Úgy tapasztalta, hogy ha a sókat napsugárzás érte röntgen sugárzás keletkezett. Röntgen feleségének keze Ez lett volna az első eset, hogy a fluoreszcencia során nagyobb energiájú sugárzás lépett volna ki. A rossz időjárás miatt egy elkezdett kísérletet nem tudott befejezni és a mintát sötét helyre tette el. A részlegesen besugárzott lemezt és az urán sót egy fiókba tette, hogy majd később a kísérletet folytathassa. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 10 5

6 A RADIOAKTIVITÁS FÖLFEDEZÉSE Amikor később eszébe jutott a lemez, elővette, hogy kiértékelje. A besugárzott lemezen sokkal intenzívebb képet talált, mint a hosszú ideig napsugárzással kezelt lemezeken. Tanulmányozta ezt a jelenséget különböző körülmények között és megállapította a következőket: -A filmen kialakuló képhez nem volt szükség napsugárzásra. -Az uránium só képes egy elektroszkóp kisütésére, még akkor is, ha nem került vele közvetlen kapcsolatba. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 11 A CURIE HÁZASPÁR Electroscopes A Curie házaspár 1898 Marie Curie használta először a radioaktivitás kifejezést. Charged Discharged Megfigyelte, hogy a tórium az uránhoz hasonló sugárzást tud kibocsátani és egyes uránércek erősebben radioaktívak voltak mint a tórium. Rávette az osztrák kormányt, hogy kutatási célra egy tonna földolgozott uránszurokércet (75% U 3 O 8 ) adományozzon nekik A házaspár négy év alatt egy elektroszkóp segítségével az uránszurokércből különválasztotta a komponenseket. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 12 6

7 A CURIE HÁZASPÁR A komponenseket 2 frakcióba osztották: az 1-es frakció főleg báriumot a 2-es frakció főleg bizmutot tartalmazott. Mindegyik frakció egy új radioaktív elemet tartalmazott. Az 1-es frakció 0.1 g rádiumot tartalmazott. Azért nevezték el rádiumnak, mert ez a frakció látható fényt bocsátott ki. A 2-es frakció 0,00005 g polóniumot tartalmazott, melyet Marie Curie eredeti hazájáról, Lengyelországról neveztek el. A polóniumot csak 1902-ben tudta Marchwald tiszta formában előállítani. Egy harmadik elemet Debinerne, a házaspár munkatársa fedezett fel. Fölfedezte az aktíniumot,, mely 1/10 10 arányban fordul elő az urán-szurokércben A Curie házaspár által elválasztott rádium ma is megvan. A rádium eléggé népszerű lett. Órák világító számlapjához és rulett-golyók festéséhez, valamint rádium készítményekhez használták. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 13 A SUGÁRZÁSOK TERMÉSZETE A Curie házaspár, J.J. Thomson és mások, tudták, hogy a radioaktivitás képes: Kisütni egy elektroszkópot a környező levegő ionizálásával, mérhető áram keletkezése mellett. Előidézni egy fotólemez megfeketedését. RUTHERFORD 1898 Tanulmányozta a radioaktív elemek által kibocsátott sugárzásokat. Fémfóliákat alkalmazott a sugárzások elnyelésére és két sugárkomponenst különböztetett meg: Az egyik komponenst, melyet a vékony alumínium lemez elnyelt, alfa-sugárzásnak, a másikat, melynek elnyeléséhez 100-szor vastagabb lemez kellett, béta-sugárzásnak nevezte el. Megállapította, hogy az ionizációs hatás csökken az adszorbens lemez vastagságának növekedésével. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 14 7

8 RUTHERFORD 1898, I( X ) I ΔI ΔI = μ I ΔX = 0 x Ahol x adszorbens lemez vastagsága (cm) μ, adszorpciós együttható (1/cm) μ, értéke a rendszámmal növekedett., μ μ = d = x ρ I = I0 ρ μd di, = μ I dx I = μ x Dr. Pátzay György Radiokémia-I 15 e X I = e, μ, ln(2) KÉSŐBBI VIZSGÁLATOK Az elektromágneses és elektrosztatikus elhajlási kísérletek eredményei a sugárzások fajtáinak jobb megértését eredményezték. A béta-sugárzás közel fénysebességgel haladó elektronsugárzás Az alfa-sugárzásban a béta részecskéknél nagyobb tömegű részecskék vannak jelen. - Úgy találta, hogy a He 2+ magok sebessége 0,1C. - A hélium magok az uránból és a tóriumból távoztak. Egy harmadik, nagyobb áthatolóképességű sugárzást is fölfedeztek (γ), mely nem térült el az elektromos vagy mágneses tér hatására. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 16 8

9 A RADIOAKTÍV BOMLÁS Rutherford és Soddy transzformációs hipotézise 1900 Észlelték, hogy tórium és rádium sókkal végzett méréseknél az elektroszkóp leolvasás hibás volt. A hatást tanulmányozták, miközben a számlálócsőbe egy inert gáz diffundált be. Megfigyelték, hogy: Egy radioaktív anyag aktivitása nem tart örökké, hanem időben csökken, az adott anyagra jellemző mértékben. A radioaktív atomok kémiai tulajdonságai megváltoztak a folyamatok során. E. Von Schweidler 1905 A radioaktív változásokat a bomlások elméletével magyarázta. Feltételezések: Egy ismert dt időintervallumban előforduló bomlás p valószínűsége független a korábban történt változásoktól. p csak dt függvénye! Dr. Pátzay György Radiokémia-I 17 A RADIOAKTÍV BOMLÁS Kis időintervallumok esetén egy radioaktív atom bomlási valószínűsége: p=λδt Ahol: λ az adott radioaktív atom bomlására jellemző arányossági tényező. Annak valószínűsége, hogy az adott időszakaszban egy radioaktív atom nem bomlik el: 1-p=1-λΔt Annak a valószínűsége, hogy egy atom bomlás nélkül túlél n darab kis időintervallumot: 1-p=(1 λδt) n Mivel a teljes idő t=n*δt, annak a valószínűsége, hogy egy atom t idő eltelte után is változatlan: 1-p=e -λt Nagy kezdeti magszám esetén t idő eltelte után az el nem bomlott magok száma: N t λt = e N 0 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 18 9

10 A RADIOAKTÍV BOMLÁS A radioaktív bomlási folyamatot elsőrendű reakciósebességű folyamatként is felfoghatjuk: Integrálás után: Ha t=0, a=ln(n 0 ), így: dn = λ N dt ln( N t ) = λt + a Nt ln( ) = λt N N t 0 = N e λt 0 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 19 A RADIOAKTÍV BOMLÁS A λ bomlási állandó értéke függ a radioaktív mag minőségétől. Ez a radioaktív izotópok fontos jellemzője. Általában ennek alternatív formáját a felezési időt (t 1/2 ) használjuk. Ez azaz időtartam, melynek során a radioaktív atommagok 50%-a elbomlik. Ha t=t 1/2, akkor N t =N 0 /2 így: ln(1/2)=-λt 1/2 vagy t 1/2 =ln(2)/λ=0,693/λ így Dr. Pátzay György Radiokémia-I 20 10

11 Bomlás és felezési idő Dr. Pátzay György Radiokémia-I 21 A RADIOAKTÍV ELEMEK A 83-nál nagyobb rendszámú összes elem radioaktív. A legtöbb elem 140-es tömegszám fölött ugyancsak radioaktív. A vegyészek stabilnak tekintenek egy nuklidot, ha t 1/ év. 200 fölötti tömegszám esetén a magok labilisak és spontán hasadással (SF) bomlanak. A radioaktív magok felezési ideje másodperc és év között bármekkora lehet. Mindegyik elemnek ismert radioaktív izotópja, akár természetes, akár mesterséges. A radioaktív izotópok jelölésére két standard jelölésmódot alkalmazunk: 14 C vagy C-14. Mindkettőt szokás használni. AZ AKTIVITÁS A gyakorlatban nem tudjuk közvetlenül kifejezni N vagy dn/dt értékét. Ehelyett az aktív atommagok időegységre eső megváltozását vagy bomlási sebességet, vagy aktivitást használjuk. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 22 11

12 Aktivitás = bomlások száma/eltelt idő Vagy, ha egy bomláskor egy részecske keletkezik és a detektálási hatásfok 100% Aktivitás = beütésszám/eltelt idő λt t1/ 2 A = A0e = A0e Ha a detektálás hatásfoka <100% és egy bomlásnál nem egy részecske emittálódik, a beütésszám csak arányosan változik az aktivitással. Mivel az aktivitás arányos az aktív magok számával, N-el: I 0,692 t 0,693 t λt t1/ 2 = I0e = I0e Ez az összefüggés csak egy egyedül jelenlévő radionuklid bomlását írja le. Ha több, különböző nuklid szimultán bomlásáról van szó az összefüggés bonyolultabb. Az aktivitás mértékegységei: Régi 1 curie (1 Ci) 3, bomlás/másodperc, dps (1 g 226 Ra aktivitása). Kisebb egységei a millicurie (mci), mikrocurie (μci) Új (SI) egysége az 1 Becquerel (1 Bq), 1 bomlás/másodperc, dps. Egyéb nagyobb egységei a kilobecquerel (kbq), megabecquerel (MBq), gigabecquerel (GBq) és a terabecquerel (TBq). Dr. Pátzay György Radiokémia-I 23 ÖSSZETETT BOMLÁS Gyakori azaz eset, amikor a radioaktív sugárforrásban nem egy, hanem kettő, vagy több, szimultán bomló radioaktív izotóp sugároz. Ebben az esetben két alapesetet különböztetünk meg: 1. Kettő, vagy több, egymástól függetlenül bomló radioaktív izotóp van jelen, melyek nincsenek genetikai, anya-leányelem kapcsolatban. 2. Kettő, vagy több egymással genetikai kapcsolatban lévő radioaktív izotóp van jelen. 1. eset a* c A a =λ a N a b* d A b =λ b N b c és d stabil magok. A sum =A a +A b = A i 2. eset a* b* c* c az anya-leányelem rendszer stabil terméke. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 24 12

13 dnb Ab = = λbnb + λana dt N = N a e λat a,0 λb λat λ t Ab Aa,0(e e b t A ln 2 ln 2 a,1/ 2 a,0 ta,1/ 2 t b,1/ 2 = ) Ab = (e e ) λ λ t t egyensúlyban b a t Ab = t a,1/ 2 a,1/ 2 A t a b,1/ 2 (1 e a,1/ 2 b,1/ ln 2( )t t b,1/ 2 ta,1/ 2 ) t t Az utolsó összefüggés exponenciális része adott idő után elhanyagolható, így: A A a b t = 1 t b,1/ 2 a,1/ 2 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 25 ÖSSZETETT BOMLÁSOK a a * bomlási görbéje b - b * bomlási görbéje c összaktivitási görbe t a,1/2 < t b,1/2 a a * bomlási görbéje b - b * bomlási görbéje c összaktivitási görbe d A b b * aktivitása, ha kezdetben csak a * van jelen t a,1/2 >> t b,1/2 a a * bomlási görbéje b - b * bomlási görbéje c összaktivitási görbe d A b b * aktivitása, ha kezdetben csak a * van jelen t ln2 t,1/ 2 A a =A b A ( 1 b b = Aa e ) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 26 13

14 Egymástól független bomlás Szekuláris (örökös) egyensúly (T 1/2anya >>T 1/2leány) Tranziens (mozgó) egyensúly (T 1/2anya >T 1/2leány ) Radiokémia-I Nincs egyensúly (T 1/2 anya <T 1/2laány ) 27 * ( λ N ) * dn = N σ Φ dt * λ N = aktivitás = N Φ σ λ t ( 1 e akt ) Egy radioaktív izotóp keletkezése Dr. Pátzay György Radiokémia-I 28 14

15 A RADIOAKTÍV BOMLÁS OKAI A magban tól sok nukleon (proton és neutron) van összezsúfolva, ezen belül nem elég a neutron fölösleg (α-bomlás). A magban túl sok a proton (β + -bomlás vagy elektronbefogás). A könnyebb és közepes nagyságú magokban túl sok a neutron (β bomlás) A magnak túl nagy az energiája, gerjesztett állapotban van (γ kvantumok kibocsátása). Gyakran egyéb (pl. β-bomlás) kísérő jelensége. Alfa sugárzás AZ α SUGÁRZÁS leányelem Th-231 anyaelem U α ++ Dr. Pátzay György Radiokémia-I 29 4 He 2+ részecskék távoznak a magból. Monoenergiás sugárzás, egy vagy több monoenergiás részecske távozik. 1,5 MeV ( 142 Ce)-11,7 MeV ( 212m Po) közötti energiával. Ideális esetben a spektrum egyszerű vonalakból áll. A α-sugárzás energiája és a radionuklid felezés ideje között fordított arányosság van. GEIGER-NUTTAL SZABÁLY: 1 log(t ) (log(e 1 / 2 α) Tehát a nagyobb felezési idejű radioaktív izotópok kisebb energiájú α-sugárzást bocsátanak ki. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 30 15

16 Egy α-spektrum: A többszörös vonalak akkor keletkeznek, ha az α bomlás több úton lehetséges. Bomlás közben γ kvantumokat is bocsáthat ki. Dr. Pátzay György Radiokémia-I Po Po 219 Ru 216 Po Po 222 Rn 211 Bi 220 Rn 20 + lgλ Th 226 Ra 227 Th 212 Bi 224 Ra 223 Ra 228 Th 231 Pa U R [cm] A Geiger_Nuttal szabály lgλ = lgλ = a R + b a E + b Dr. Pátzay György Radiokémia-I 32 16

17 Visszalökési energia: Egy α-részecske energiája nem egyezik pontosan az átmenet teljes energiájával. A momentum megmaradás miatt bizonyos energiát visszalökődés közben átad a keletkezett leányelemnek: E átmenet =E α +E visszalökődési E visszalökődési könnyen számítható. Kinetikus energia E=0,5mv 2 Momentum p=mv A leányelem és az α részecske azonos kinetikai energiával rendelkezik: E visszalökődési =(m α /m leány )E α Így a teljes átmenet energiája számítható. Példa: számítsa ki egy 4 MeV energiájú α bomlás visszalökődési és teljes átmeneti energiáját, ha a leányelem tömege 200? E visszalökődési =(4/200)(4)=0,08 MeV E átmenet =4+0,08=4,08 MeV Mivel nagy tömegekről van szó a visszalökődési energia nem jelentős. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 33 α-bomlás Emission of an α-particle or 4 He nucleus (2 neutrons, 2 protons) # prot ons α-decay 238 U 234 Th # neutrons # nucleons The parent decreases its mass number by 4, atomic number by 2. Example: 238 U -> 234 Th + 4 He Mass-energy budget: 238 U amu 234 Th He mass defect amu = 6.86x10-10 J/decay = 1.74x10 12 J/g 238 U = 7.3 kilotons/g This is the preferred decay mode of nuclei heavier than 209 Bi with a proton/neutron ratio along the valley of stability Dr. Pátzay György Radiokémia-I 34 17

18 A β SUGÁRZÁS A β-bomlás háromféleképpen mehet végbe: 1. Negatron (β - ) kibocsátásával. A magból negatív elektron távozik. Tipikusan a neutrondús magok bomlása. Az elektron távozása a momentum megmaradás miatt antineutrinó kibocsátásával jár. X Y + β + ν 2. Pozitron (β + ) kibocsátásával. A magból pozitív elektron távozik. Tipikusan a protondús magok bomlása. A pozitron távozása a momentum megmaradás miatt neutrínó kibocsátásával jár. X Y + β + + ν Dr. Pátzay György Radiokémia-I 35 Negatív béta sugárzás 0 0 ν Antineutrino anyaelem kálium β - Béta részecske Dr. Pátzay György Radiokémia-I 36 18

19 A pozitron a földön nem stabil-antianyag. Negatronnal találkozva annihilációs sugárzásban kétféle módon megsemmisül. + β + e 2γ(0,51MeV) A két γ foton egymáshoz képest ban repül ki a momentum megmaradás miatt. Kevésbé jellemző. + β ( lassú) + e γ(1,02mev) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 37 A 0,51 MeV γ-sugárzás gyakran detektálható és egy pozitron és elektron annihilációját jelzi. Ez nagyon hasznos a nukleonok azonosításánál. 3. Elektronbefogással (EC) Ez a bomlás lehetővé teszi a rendszám (Z) csökkentését változatlan tömegszám (m) mellett. A pozitron-bomlás alternatívája. A legbelső K-héjról a mag egy elektront fog be. Előnyös bomlás forma ha a bomlási energia<2m e C 2. Magemisszió ritkán kíséri az elektronbefogást, hacsak az atommag nem maradt gerjesztett (metastabilis) állapotban. A K-héjon keletkezett lyukat egy külső pályáról elektron tölti be és a két pálya energiakülönbségének megfelelő karakterisztikus röntgen sugárzás keletkezik. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 38 19

20 β-bomlás Emission of an electron (and an antineutrino) during conversion of a neutron into a proton # prot ons β-decay Sr 87 Rb # neutrons # nucleons The mass number does not change, the atomic number increases by 1. Example: 87 Rb -> 87 Sr + e + ν Mass-energy budget: 87 Rb amu 87 Sr mass defect amu = 4.5x10-11 J/decay = 3.0x10 11 J/g 87 Rb = 1.3 kilotons/g This is the preferred decay mode of nuclei with excess neutrons compared to the valley of stability Dr. Pátzay György Radiokémia-I 39 β + -bomlás és elektron befogás Emission of a positron (and a neutrino) or capture of an inner-shell electron during conversion of a proton into a neutron Electron Capture # prot ons K 40 Ar # neutrons # nucleons The mass number does not change, the atomic number decreases by 1. Examples: 40 K -> 40 Ar + e + + ν 50 V+ e -> 50 Ti + ν + γ In positron emission, most energy is liberated by remote matter-antimatter annihilation. In electron capture, a gamma ray carries off the excess energy. These are the preferred decay modes of nuclei with excess protons compared to the valley of stability Dr. Pátzay György Radiokémia-I 40 20

21 β bomlás három esete 1) β - bomlás 2) β + bomlás 3) Elektron befogás H He+ e + υ 3 β e -Egy neutronból proton lesz, elektron és antineutrino - A nem változik, de más elem jön létre - anti-neutrinot bocsát ki (nincs töltés és tömeg) + C B+ e + υ 11 β e - Egy protonból neutron lesz, pozitron és neutrino - A nem változik, de más elem jön létre - Neutrinot bocsát ki Be + e B + υ e 7 EC Dr. Pátzay György Radiokémia-I 41 A γ SUGÁRZÁS Az elektromágneses sugárzások röntgen feletti energiájú része. Diszkrét energiája 0,-10 MeV között lehet, ámbár 5 MeV fölött ritka. Az α és β bomlást kísérheti, melynek során az atommag gerjesztett állapotban maradhat. * X Y + α ( β ) Y + γ Gamma sugárzás 0-1 β - Gamma sugarak Anyaelem Co-60 Leányelem Ni-60 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 42 21

22 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 43 Általában a γ-bomlás olyan gyors, hogy a felezési ideje nem mérhető. Néhány esetben azonban a γ-bomlás eléggé lassú ahhoz (>10-14 sec), hogy mérhető legyen, metastabilis radioaktív izotóp jön létre, mely belső magátmenettel (IT) bomlik: A γ-sugárzás diszkrét energiájú sugárzás, mely egy vagy több vonalas spektrumot ad. MÁS BOMLÁSI MÓDOK Spontán maghasadás (SF) SF akkor lép fel, ha A 100, mivel ezek a magok negatív kötési energiával rendelkeznek hasadási átalakulás esetén. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 44 22

23 Spontán maghasadást csak A 232 esetén figyeltek meg. Ritka és a bomlás felezési ideje nagy: KÉSLELTETETT NEUTRON EMISSZIÓ A hasadási termékek gyakran neutronban dúsak, melyek β bomlással alakulnak tovább. A β bomlás után a mag még általában gerjesztett állapotban van és gyakran γ bomlással szabadul meg az energiafeleslegtől. Néha a leányelem neutront is kibocsát. Ez ritka, mintegy 100 példa ismert. Csak mesterséges, neutronban gazdag izotópoknál ismert, pl. 252 Cf, melyet neutronforrásként alkalmaznak. KÉSLELTETETT PROTON EMISSZIÓ Hasonló a késleltetett neutron emisszióhoz, csak ritkább. A töltött részecskékkel bombázással előállított protonban dús magok bomlanak így. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 45 A bombázás után a mag vagy proton emisszióval vagy pozitron bomlással bomlik: SPALLÁCIÓ (S) A magok nagyenergiás szétesése (pl. kozmikus sugárzás hatására). Kis magtöredékek kaszkád emissziója lép fel, az atommag szétesik. Fékezési Röntgen sugárzás (Bremsstrahlung) Elektron Célmag Wolfram Rönt gen sugár Anód (+) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 46 23

24 Elektron kölcsönhatása az atommal Creates a polychromatic spectrum Dr. Pátzay György Radiokémia-I 47 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 48 24

25 MAGREAKCIÓK ÉS BOMLÁSOK SORÁN VÉGBEMENŐ VÁLTOZÁS Protonszám növekedéssel ( - β bomlás) járó átmenet esetén a nyilak lefelé és jobbra, protonszám csökkenéssel (α-bomlás, elektronbefogás) járó átmenet esetén lefelé és balra, γ-sugárzással járó átmenet esetén függőlegesen lefelé mutatnak. A legtöbb radionuklid tiszta béta sugárzó (pl. 3 H, 14 C, 32 P, 35 S stb.) Néhány radionuklid vagy bétagamma sugárzó, vagy elektronbefogással bomlik ( 51 Cr, 125 I). Így például a 51 Cr bomlásánál a bomlások 91%-ban elektronbefogás megy végbe és nem lép ki a magból sugárzás, míg a bomlások 9%-nál egy másik nagyobb energiájú elektron befogása megy végbe és mivel ez a befogott elektron túl sok energiát közöl a maggal az energia felesleget egy 320 kev energiájú gamma-foton alakjában a mag kisugározza. Másik példa a 40 K bomlási sémája. Dr. Pátzay György Radiokémia-I Cs % MeV β % MeV β - 137m Ba MeV γ 137 Ba 56 A 137 Cs bomlási sémája Dr. Pátzay György Radiokémia-I 50 25

26 BOMLÁSI SÉMÁK Dr. Pátzay György Radiokémia-I 51 MAGREAKCIÓK ÉS BOMLÁSOK SORÁN VÉGBEMENŐ VÁLTOZÁS Dr. Pátzay György Radiokémia-I 52 26

27 IZOTÓPTÁBLÁZATOK Dr. Pátzay György Radiokémia-I 53 IZOTÓPTÁBLÁZATOK Dr. Pátzay György Radiokémia-I 54 27

28 Magreakciók energia mérlege a Q érték A + b C A( b, e) D * D + e Energiamérleg: E A + M c + E + M c = E + M + E + M 2 [( E + E ) ( E + E )] = [( M + M ) ( M + M )] c = Q D A e 2 A b b b 2 A D b D c 2 d e e e c 2 Ahol E a mozgási, M.c 2 pdig a tömeggel ekvivalens energia. Q>0 exoterm, Q<0 endoterm magreakció, abs(q)- küszöbenergia Dr. Pátzay György Radiokémia-I 55 ÖSSZEFÜGGÉS A FAJLAGOS AKTIVITÁSOK ÉS A FELEZÉSI IDŐ KÖZÖTT * ln(2) * A = λ N = N t 1/ 2 Az aktív atommagok száma pedig * m N = f 6, M 23 A ln(2) m A fajlagos aktivitás így A ln(2) f 6, = m t M 0,693 f 6, = 23 = f 6, / 2 t1/ 2 M t1/ 2 M Az összefüggés alapján látható, hogy minél hosszabb az illető radioaktív izotóp felezési ideje, illetve minél nagyobb az atomsúlya, annál kisebb a fajlagos aktivitása. Példa. 1 mci 32 P (t 1/2 =14,3 nap) tömege 3, g, azaz 3,5 nanogramm, míg ugyanilyen aktivitású 1 mci 226 Ra (t 1/2 =1600 év) tömege 1, g, azaz 1,011 mg. Bár a bomlások időegységre eső száma meghatározza az aktív anyag aktivitását, a radionuklidok többféle módon is bomolhatnak és többféle sugárzást bocsáthatnak ki a bomlás során. Egy speciális vonaldiagrammal, a bomlási sémával minden egyes radionuklid bomlása leírható. A vízszintes vonalakkal jelzett energianívók közötti átmeneteket nyilak jelzik. A magasabb energiaállapotú anyaelem sugárzás leadásával jut az alacsonyabb energia állapotú leányelemhez (lásd ábra). Dr. Pátzay György Radiokémia-I 56 28

29 Legfontosabb Izotópok Izotóp Ac-227 Ac-228 Ci/g E+06 Ci/L ppm szorozva: 1.37E E-04 ppm Ci/L szorozva: 7.29E E+03 Izotóp Co-57 Co-60 Ci/g Ci/L ppm szrorzva: 1.18E E-01 ppm Ci/L szorozva: 8.48E E+00 Am E E E-03 Mo E E E+02 Am-242m 9.72E E E-03 Np E E E-07 Am-242 Am E E E E E E-04 Np-239 Pu-238 Pu E E E E E E E-05 Am E E E+03 Pu E E-04 Ba E E E+01 Pu E E-01 Ba-140 Cd E+04> 2.64E E E E E+00 Pu-242 Pu-243 Pu E E E E E E E E E-08 Cd-115m 2.60E E E+01 Sr E E E+01 Cd E E E+02 Sr E+0 1.4E-01 Cs-137 Cs E E E E E+04 U-235 U E E E E E E-10 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 57 Bomlási sorok A 4n 4n+1 4n+2 Bomlási sor Tórium Neptúnium Urán-rádium Anyaelem 232 Th 237 Np 238 U T 1/2 [a] 1, , , Végtermék 208 Pb 209 Bi 206 Pb 4n+3 Aktínium 235 U 7, Pb Bomlási sor Kezdő T 1/2 Vég Gáz (T 1/2 ) Tórium 232 Th 1.4 x év 208 Pb 220 Rn (55.6 sec) toron Uránium 238 U 4.5 x 10 9 év 206 Pb 222 Rn (3.8 days) radon Aktínium 235 U 7.1 x 10 8 év 207 Pb 219 Rn (4.0 sec) aktinon Dr. Pátzay György Radiokémia-I 58 29

30 A 4 n BOMLÁSI SOR Dr. Pátzay György Radiokémia-I 59 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 60 30

31 A 4n+1 BOMLÁSI SOR Dr. Pátzay György Radiokémia-I 61 A 4n+2 BOMLÁSI SOR Dr. Pátzay György Radiokémia-I 62 31

32 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 63 A 4n+3 BOMLÁSI SOR Dr. Pátzay György Radiokémia-I 64 32

33 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 65 A SUGÁRZÁSOK ÁTHATOLÓ KÉPESSÉGE Alfa-részecske: kicsiny béta részecske: mérsékelt gamma: nagy röntgen sugárzás? Relative penetrating ability of ionizing radiation in tissue Alpha (Several layers of skin) Beta Gamma Víz Neutron Dr. Pátzay György Radiokémia-I 66 33

34 4 2 α ++ Alfa A RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK ÁTHATOLÓKÉPESSÉGE Papír Műanyag ólom beton 0 1 β Béta 0 0 γ Gamma és X 1 0 n Neutron Dr. Pátzay György Radiokémia-I 67 Besugárzási dózis, X Röntgen vagy gamma-sugárzás által levegőben okozott ionizáció mértékét méri Mértékegysége a Röntgen (1 R=2, C/kg) (1 Ncm 3 levegőben 2,09x10 9 ionpár) SI egysége a C/kg (1 C/kg~3876 R) Q( töltés) X = M ( tömeg) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 68 34

35 Elnyelt dózis, D Elnyelt dózis (vagy sugárzási dózis) azzal az energiával egyenlő, melyet az abszorber egységnyi tömege bármely sugárzástól elnyel Egysége a rad 1 rad = 100 erg/g = 0.01 J/Kg SI egysége a gray, 1 gray = 100 rad Dr. Pátzay György Radiokémia-I 69 Ekvivalens dózis, H Egységnyi dózisekvivalens azon bármely sugárzás mennyisége, mely biológiai rendszerben elnyelődve ugyanolyan biológiai hatást okoz, mint egy egységnyi alacsony LET sugárzás Az elnyelt dózis D és a minőségi faktor Q szorzata: H = D Q Dr. Pátzay György Radiokémia-I 70 35

36 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 71 Az ekvivalans dózis egységei Az emberi dózist rem (millirem) egységben mérik 1000 mrem = 1 rem 1 rem ekvivalens dózis ugyanazt a sugárzási kockázatot jelenti bármely sugárzás esetén Belső vagy külső alfa, béta, gamma, röntgen, neutron SI egysége a sievert, 1 sievert (Sv) = 100 rem A külső besugárzást a dozimetria méri A belső besugárzást biológiai (bioassay) minták elemzésével mérik Dr. Pátzay György Radiokémia-I 72 36

37 Minőségi faktorok különböző sugárzásokra Minőségi faktorok Röntgen és gamma Elektronok és müonok Neutronok < 10 kev >10kev to 100 Kev > 100 kev to 2 Mev >2 Mev Protonok > 30 Mev Alfa részecskék Dr. Pátzay György Radiokémia-I 73 Fluencia, fluxus és energia fluencia Fluencia (Φ) = részecskék száma/keresztmetszet [cm -2 ] Fluxus (dφ/dt) = fluencia intenzitás = fluencia/sec [cm -2 - sec -1 ] Energia fluencia (Ψ) = (részeckék/keresztmetszet) (energia/részecskeszám) = Φ E [kev/cm 2 ] vagy [J/m 2 ] Energiafluxus (dψ/dt) = energia fluencia intenzitás = energia fluencia/sec [kev/cm 2 /sec ] Dr. Pátzay György Radiokémia-I 74 37

38 Besugárzási és elnyelt dózis Dózis (Gy) = X (R) átszámítás (R - Gray konverziós faktor) R - Gray konverziós faktor = levegőre (8.76 mgy/r) R - Gray konverziós faktor izomra és vízre R - Gray konverziós faktor csontra (PE) Dr. Pátzay György Radiokémia-I 75 Aktivitás,dózis Dr. Pátzay György Radiokémia-I 76 38

39 Egy sugárforrás által okozott dózisteljesítmény számítása a legegyszerûbb abban az esetben, ha egy pontszerû, homogén fotonenergiát kibocsátó gammasugárforrás dózisteljesítményét akarjuk meghatározni. A számítási egyenlet megadásához az is szükséges, hogy rögzítsük: a detektor un. levegõekvivalens anyagú, azaz abszorpciós sajátosságai megegyeznek az azonos tömegû levegõével. ( Ez a feltétel a legtöbb gáztöltésû detektorra könnyen teljesül.) Ha ismert a forrás aktivitása (A), a forrástól r távolságra tapasztalható dózisteljesítmény a következő egyenlettel adható meg: D = k γ * A / r 2 D: dózisteljesítmény [μgy/h] A : aktivitás [GBq] r : forrás-detektor-távolság [m] k γ : dózisállandó [(μgy/h)/(gbq/m2)] A dózisállandó egy arányossági tényezõ, melynek értéke tartalmazza a sugárzás gyakoriságát és energiáját, a pontforrás körül feltételezett gömbszimmetrikus alakzat miatt 4π-t, valamint az adott energiára és a levegõre jellemzõ tömegabszorpciós együtthatót, amely homogén sugárzási energia esetén - a többi tényezõvel együtt - konstans. kγ értéke így állandó, számításokkal vagy táblázatokból határozható meg. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 77 Radioaktív izotópok veszélyességének szempontjai Felezési idő Sugárzás energiája és a bomlás típusa Elhelyezkedése (szervezeten kívül-belül) Kiürülés sebessége Az alkalmazott mennyiségek és azok kezelési módjai 1μCi 10 μci 100 μci 1 mci 10 mci 100 mci 1 Ci Na-24, Kr-85, As-77 H-3,C-14,P-32 Ca-45,Fe-55,Bi-210 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 78 39

40 Kritikus szervek P-32 Ra-226 Pu-239 Rn-222 vagy H-3 Cr-51 Co-60 Tc-99m Au-198 Ir-192 U-235 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 79 Oldott és szilárd halmazállapotú radioaktív izotópok távozási útvonalai a szervezetből Oldott Szilárd Gyomor Gyomor Vékonybél 30% Vér Vékonybél 2% 28% Vastagbél Vese Vastagbél 70% 100% Széklet Izzadság + kilégzés Vizelet Széklet Dr. Pátzay György Radiokémia-I 80 40

41 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 81 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 82 41

42 A sugárzások típusai Tömeg (amu) Töltés Úthossz levegőben Alfa néhány centiméter Béta pozitív Néhány méter Béta negatív Néhány méter Gamma Sok-sok méter Röntgen (X) Sok-sok méter Neutron Sok-sok méter Dr. Pátzay György Radiokémia-I 83 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 84 42

43 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 85 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 86 43

44 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 87 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 88 44

45 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 89 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 90 45

46 AZ ATOM Görögül tovább nem osztható. Thomson plum-pudding modell. Elkent pozitív töltésekben (puding) negatív elektronok (szilvaszemek) vannak elkeverve. Semleges Ernest Rutherford α-részecskék szóródása arany fólián. Kis pozitív mag, az atom főtömege, negatív elektronok helyezkednek el körülötte. Körpályán mozgó töltések energiát vesztenek. Miért nem zuhannak be a negatív elektronok a magba? Niels Bohr 1913 vannak olyan diszkrét elektronpályák, melyeken a keringő elektron nem veszít energiát. A kvantummechanika (kvantum adag) kezdete. Példa - Neon-20 atom Thomson-modell Rutherford modell Elektronok A mag neutronokkal és protonokkal Dr. Pátzay György Radiokémia-I 91 AZ ATOMMAG Az atommag nukleonokból, protonokból és neutronokból áll. A protonok és neutronok kvarkokból épülnek föl és a kvarkok közötti glüon-csere következtében létrejövő erős kölcsönhatások tartják őket össze a magban. A több nukleonból álló magokban az effektív erős kölcsönhatásokat a mezonok (kavark-antikvark párokból fölépülő részecskék) cseréjével írhatjuk le. Egy proton, illetve neutron 3-3 kvarkból áll Dr. Pátzay György Radiokémia-I 92 46

47 A NÉGY ALAPVETŐ KÖLCSÖNHATÁS A négy alapvető kölcsönhatás a gravitációs, az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatások. A gravitációs és az elektromágneses kölcsönhatások jól ismertek. A gravitációs kölcsönhatás. Cavandish 1-1g tömegű, 1cm távolságban lévő test közötti erőhatást mérte. m1m2 F = γ 2 r A gravitációs kölcsönhatás nagy hatótávolságú, de a leggyengébb kölcsönhatás! (γ rendkívül kicsi). Ne tévesszen meg a földi gravitációs erő, mert a föld tömege óriási az emberi tárgyakhoz képest. Még a gyenge kölcsönhatás is szor erősebb, mint a gravitációs kölcsönhatás. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 93 A NÉGY ALAPVETŐ KÖLCSÖNHATÁS Az elektromágneses kölcsönhatás. q1q F = k 2 r Ez is nagy hatótávolságú kölcsönhatás. Mintegy szor erősebb ez a kölcsönhatás, mint a gravitációs. Két, egymástól cm távolságban lévő proton között a gravitációs erőhatás dyn, az elektromágneses taszítóerő pedig dyn. Az erős kölcsönhatás Az atommagokban kötést létesítő erőhatás a nukleonok között. Ezek vonzóerők, nem elektromos erők (a semleges neutronra is hatnak) és nem is gravitációs erők. Rendkívül kis tartományban ( cm) fejtik ki a hatásukat, rövid hatótávolságú erő. Két protont közelítve eleinte csak az elektromágneses taszítóerők hatnak és csak cm távolság után hatnak az erős kölcsönhatás vonzó erői. A magerők szer erősebbek, mint az elektromágneses erők, ezért az erős kölcsönhatás szer rövidebb idő alatt megy végbe (jellemző magidő s). 2 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 94 47

48 A NÉGY ALAPVETŐ KÖLCSÖNHATÁS Egy nukleon csak néhány szomszédos nukleonnal lép kölcsönhatásba. A magerők töltésfüggetlenek, azaz azonos a p-p, n-p és n-n kölcsönhatás. A kölcsönhatás során kicserélődhet a két részecske töltése, neutronból proton, protonból neutron képződhet. + A gyenge kölcsönhatás n p + e + ν Az erős és elektromágneses kölcsönhatáshoz képest rendkívül gyenge, a gravitációs kölcsönhatáshoz képest erős kölcsönhatási forma, hatótávolsága rendkívül kicsi. A gyenge kölcsönhatás eredményeként nem jönnek létre kötött állapotok, ezért bomlási kölcsönhatásnak is nevezik. Példa: a neutronok béta-bomlása: n p A neutron élettartama kb. 15 perc. A többi metastabil részecske (müonok, mezonok) élettartama lényegesen kisebb. A gyenge kölcsönhatás jellemző ideje sec. Két proton kölcsönhatása esetén mind a négy kölcsönhatás fellép. Ha az erős kölcsönhatás erősségét 1-nek vesszük, akkor az elektromágneses kölcsönhatás erőssége , a gyenge kölcsönhatásé , a gravitációs kölcsönhatásé pedig e + ν Dr. Pátzay György Radiokémia-I 95 A NÉGY ALAPVETŐ KÖLCSÖNHATÁS Két proton között mind a négy kölcsönhatás fellép. Gyenge kölcsönhatás a béta-bomlásnál és a neutrino kölcsönhatásnál léphet föl. Az erős kölcsönhatás a magerőknél jelentkezik, a kvarkokat tartja össze, hogy barionokat(3 kvark) és mezonokat(1 kvark és 1 antikvark) képezzenek. Neutron (uud), proton (udd) kvarkokból áll. A nukleonokat összetartó magerők az egyes nukleonokban lévő kvarkok kölcsönhatásának az eredménye. (Hasonló a molekuláknál az elektronok kölcsönhatása révén kialakuló kovalens kötéshez.) Két objektum közötti erőhatás egy részecske cseréjével írható le. Energiát és momentumot visz át a két objektum között. Dr. Pátzay György Radiokémia-I 96 48

49 A NÉGY ALAPVETŐ KÖLCSÖNHATÁS Kölcsönhatás Gravitációs Gyenge Elektromágnesess Erős Cserélődő részecske Graviton Z0 Foton Pion Tömeg mc 2 (ev) Csatolási állandó C 2 (J.m) 1, , , , Hatótávolság (m) Végtelen Végtelen 1, Dr. Pátzay György Radiokémia-I 97 NOBEL DÍJAS KUTATÓK A RADIOAKTIVITÁS KUTATÁSÁBAN Henry Becquerel A spontán radioaktivitás fölfedezése 1903 Pierre Curie Marie Curie Ernest Rutherford Elemek bomlása, radioaktív elemek 1908 kémiája Marie Curie A rádium és polónium felfedezése 1911 Frederick Soddy A radioaktív elemek kémiája, 1921 radioaktív izotópok eredete és természete Francis Aston Izotópok felfedezése számos 1922 nem radioaktív elemben Charles Wilson Ködkamra kifejlesztése töltött 1927 részecskék detektálására Harold Urey A deutérium felfedezése 1934 Frederic Joliot Számos új radioaktív elem 1935 Irene Joliot-Curie szintézise James Chadwick A neutron felfedezése 1935 Carl David Anderson A pozitron felfedezése 1936 Dr. Pátzay György Radiokémia-I 98 49

50 NOBEL DÍJAS KUTATÓK A RADIOAKTIVITÁS KUTATÁSÁBAN Enrico Fermi Új radioaktív elemek előállítása 1938 neutron besugárzással Ernest Lawrence A ciklotron megalkotása 1939 George de Hevesy Izotópok nyomjelzőként való alkalmazása 1943 kémiai folyamatok vizsgálatánál Otto Hahn Nehéz atommagok hasadásának felfedezése 1944 Patrick Blackett Ködkamra kifejlesztése, magfizikai és kozmikus sugárzással kapcsolatos felfedezések 1948 Hideki Yukawa A mezonok létének előre jelzése 1949 Cecil Powell Nukleáris folyamatok tanulmányozására 1950 fotografikus módszer kidolgozása Edwin McMillan Felfedezések a transzurán elemek kémiájában 1951 Glenn Seaborg John Cockroft A magok transzmutációja gyorsított részecskékkel 1951 Ernest Walton Dr. Pátzay György Radiokémia-I 99 NOBEL DÍJAS KUTATÓK A RADIOAKTIVITÁS KUTATÁSÁBAN Felix Bloch Mágneses erőtér mérése az atommagban 1952 Edward Purcell Walther Bothe A kozmikus sugárzás tanulmányozása a 1954 koincidencia módszerrel Willard Libby A 14 C kormeghatározás módszerének 1960 kidolgozása Robert Hostadter A magszerkezet vizsgálata elektronszórással 1961 Rudolf Mössbauer A gamma sugarak magokon történő visszalökődés 1961 nélküli rezonancia adszorpciójának felfedezése Eugene Wigner A szimmetria elv alkalmazása magoknál 1963 Marie Goeppert-Mayer A nukleáris shell-model kifejlesztése 1963 Hans Jensen Hans Bethe A nukleáris reakciók a csillagokban elmélet 1967 kidolgozása Aege Bohr A magokban a kollektív állapot elméletének 1975 Ben Moltenson kidolgozása James Rainwater Dr. Pátzay György Radiokémia-I

51 NOBEL DÍJAS KUTATÓK A RADIOAKTIVITÁS KUTATÁSÁBAN Rosalind Yalow Inzulin vizsgálata radioaktív nyomjelzők 1977 segítségével William Fowler Kémiai elemeket termelő magreakciók 1983 tanulmányozása asztrofizikai folyamatokban Dr. Pátzay György Radiokémia-I