Radioaktivitás. Becquerel

Átírás

1 1 of 5 9/23/ :47 AM Radioaktivitás A 19.század legvégén felfedezett radioaktivitás hatalmas lökést adott az atomfizika és a kémia fejlıdésének. Sokáig ugyan azt sem tudták, hogy mi is történik a radioaktív folyamatokban, de végül is fıként Rutherford munkásságának köszönhetıen, tisztázódtak a fıbb törvények. Rutherford Soddyval közösen megmutatta azt is a radioaktivitás példáján, hogy az éppen csak elfogadott kémia atomfogalom máris tarthatatlan, amellyel a magfizika elıtt nyitott utat. Az elsı világháború idején már olyan újszerő alkalmazásai is napirendre kerültek, mint a radioaktív nyomjelzés, aminek Hevesy volt ötletadója. Becquerel vm.nthu.edu.tw/science/ shows/rad/1/1-2.html begriffe/r03.html Becquerel 1896-ban felfedezte az urán sóinak radioaktivitását. Becquerel Poincaré hatására az újonnan felfedezett röntgensugárzást még fluoreszencia sugárzásnak vélte. Ezért, egy olyan kísérletet végzett el, amellyel azt akarta bizonyítani, hogy az uránsók fluoreszkálásuk közbe röntgensugarakat is kibocsátanak. Fotólemezeket fekete papírba csomagolt, azért hogy azokat ne érje közvetlen napsugárzás. A becsomagolt fotólemezekre uránsókat tett, aztán ezeket a napfényre helyezte. Elképzelése az volt, hogy a napfény által gerjesztett fluoreszcencia sugárzás röntgen összetevıje áthatol a fekete csomagolóanyagon, és a fotólemez feketedését okozza. Az elıhívott lemezeken meg is találta a sugárzás nyomát. Legnagyobb meglepetésére azonban olyan fotólemezeken is megtalálta az uránsók sugárzásának lenyomatát, amiket elfelejtett napfényre kitenni. Ebbıl jött rá arra, hogy az urán saját magától is sugároz, ahhoz, hogy sugarakat bocsásson ki magából, nincs szüksége a napfény gerjesztı hatására. Azt is tapasztalnia kellett, hogy az uránsók sugárzása, számos tulajdonságban a röntgensugárzásra emlékeztet, például a fotólemezt megfeketíti, cinkszulfid ernyın fénylést okoz, ionizál, és nagy áthatoló képességő. Egészen rendkívüli viszont az, hogy spontán módon keletkezik, és a sugárzás külsı körülményekkel nem befolyásolható. Ennek ellenére nem tudott szabadulni attól a gondolattól, hogy a jelenséget a fluoreszenciához hasonló foszforeszenciának tulajdonítsa, esetleg nagyon kemény röntgensugárzásnak vélje. (A foszforeszencia a fluoreszenciánál idıben hosszabb ideig tartó másodlagos sugárzás.) A ma, - számunkra rendkívülinek tőnı felfedezés ellenére, - hamarosan más téma felé fordult az érdeklıdése, a jelenség további vizsgálatát asszisztensére, Marie Curie-re bízta. 1899: Visszatér a radioaktivitás kérdéséhez. Megmérte a béta-részecskéknek a sugárzás egyik alkotóelemének az elhajlását elektromos és mágneses térben. Az így kapott töltés/tömeg arány alapján kimutatta, hogy a béta-részecske azonos J.J.Thomson nemrég azonosított elektronjával 1902: Felfedezte azt a jelenséget, hogy az urán állítólagosan aktív anyaga, az urán-x az idık folyamán elveszti sugárzóképességét, magának az uránnak viszont, amely frissen elıállítva inaktív volt, visszatért aktivitása. A jelenséget megmagyarázni nem tudta, a bomlási törvény és az anya és leányelemek eltérı aktivitásának felfedezése Rutherford nevéhez főzıdik. 1904: Leírja, hogy a mellényzsebébe tett rádiumminta nagyon lassan gyógyuló égési sebet keltett a testén. Ez, és Pierre Curie hasonló megfigyelései hívják fel a sugárzás élettani hatására is a figyelmet, és vezettek el késıbb a sugárzás gyógyászati alkalmazásához, élettani hatásainak tisztázásához. Az urán A képen látható kristály az urántartalmú autunit. Ilyen urántartalmú anyaggal kísérletezett Becquerel, amikor egy szerencsés véletlen folytán felfedezte az urán radioaktivitását. A felvételen megfigyelhetı az ásvány fluoreszkálása is. Az urántartalmú kızetek általában igen csekély, néhány százaléknyi uránt tartalmaznak legfeljebb. A kızetek aktivitását az urán leányelemeinek a jelenléte okozza. A Curie házaspár

2 2 of 5 9/23/ :47 AM www2.fht-esslingen.de/semgym/ aktuelles_und_ne : Marie Curie és férje, Pierre Curie továbbviszik a Becquerel által megkezdett kutatásokat. Az ı tevékenységük nyomán ismeri fel a világ a radioaktivitás jelentıségét. Marie felfedezi a tórium radioaktivitását (egy másik német fizikussal egy idıben), bevezeti a radioaktivitás fogalmát. Felismeri, hogy az uránnak bizonyos ércei erısebb aktivitást mutatnak, mint maga a tiszta urán. Pierre a radiológiai mérésekre kifejleszt egy nagyon érzékeny piezoelektromos mérıeszközt, amely egy elektrométerbıl, egy ionizációs kamrából és egy piezoelektromos kristályból állt. A mérés elve az volt, hogy a kvarckristályban keletkezett töltés bizonyos idı után kompenzálta az ionizációs kamrában a sugárzás által keletkezett töltéseket. 1898: Felfedezik a polóniumot és felismerik a rádium létezését. Munkájukat legendásan mostoha körülmények közt egy külvárosi raktárhelyiségbıl átalakított laborban végezték. Több mint 8 tonna, a joachimstalli uránbányából származó meddı kızetbıl tudták a rádium kloridjának tizedgrammnyi mennyiségét elıállítani 1902-re. A polóniumot csak sugárzással tudták nyomon követni az ismételt kémiai változások során, egyébként nagyon nagy hasonlóságot mutatott a bizmuttal. Marie Curie hazájának tisztelegve nevezte el polóniumnak. A polónium aktivitása 400-szorosa volt az uránénak. A vizsgált anyagban a polónium és a bizmut eltávolítása után a visszamaradt folyadék továbbra is radioaktív maradt. Úgy tőnt, hogy a szurokérc tartalmaz még egy radioaktív elemet, amelyik kémiailag a báriumra emlékeztetett. Ekkor vonták be a munkába a vegyész Bémon-t és a fizikus Demarcay-t. A báriumklorid többszöri feloldása és kicsapatása után a kapott anyag aktivitása egyre nıtt. Demarcay a báriumklorid optikai spektrumát vizsgálva megállapította, hogy a bárium és a klór ismert vonalai mellett egy ismeretlen anyag vonalai is megfigyelhetık és ennek az anyagnak a vonalerıssége az aktivitással együtt nıt. Végül az anyag már 900-szor aktívabb volt, mint az urán. Így jöttek rá arra, hogy a báriumkloridban az addig ismeretlen anyag, a rádium felel a sugárzásért. Pierre 1900 körül a sugárzás élettani vizsgálatába kezdett. Egy rádiummintát tartalmazó ampullát a kezére ragasztva vizsgálta annak élettani hatását. A sejtek fájdalommentesen, igen nagy mélységig elhaltak, és a seb az orvosi kezelés ellenére hónapok alatt sem gyógyult rendesen. Egy oldal a Curie házaspár egy cikkébıl Az elsı ábrán a Pierre által kifejlesztett mérımőszer vázlata látható. A Curie házaspár felismerte hogy a sugárzás ionizációja révén mérhetı. Az elsı ábrán az az eszköz látható, amelynek segítségével az ionizáló sugárzás által keltett gyenge áramok mérhetıvé váltak. A második rajz, azt az elrendezést mutatja, amellyel kimutatták, hogy a rádium sugárzása során tekintélyes mennyiségő hı fejlıdik. Férjével és Laborde-dal kimutatják, hogy 1g rádium elbomlásakor annyi hı fejlıdik, ami 500kg szén elégetésével egyenértékő. (Igaz ugyan, hogy ennyi hı fejlıdéséhez több ezer évet kellene várni, de a rádium így is saját tömegének megfelelı jeget tud megolvasztani.) Számításokkal igazolják, hogy a radioaktív bomláskor tömegegységenként felszabaduló energia milliószorosa is lehet a heves kémiai reakciókban szabaddá váló energiának. Simonyi: A fizika kultúrtörténete Egy tórium inhalátor a századelın Az anyag. Time-Life könyvek 1963 A felfedezésének korszakában a radioaktivitás az emberekbıl a maival pontosan ellentétes reakciót váltott ki. A rádiumot és a tóriumot, - annak ellenére, hogy roppant drágák voltak, - szinte csodaszernek tekintették. Néhány bırrákos daganat sugárzással történt szétroncsolásának hírére divattá vált kritikátlan orvosi és kozmetikai alkalmazása. A tórium belélegzését egyesek valóságos csodaszernek hitték. Divatba jöttek a radioaktív vizek és fogkrémek. Csak lassan győlt össze annyi tapasztalat, amennyi kétségtelenné tette, hogy az erıs radioaktív sugárzás káros. A sugárzás élettani hatásairól, valós orvosi alkalmazásairól egy külön ismertetıben olvashatunk Rutherford

3 3 of 5 9/23/ :47 AM A radioaktivitás kutatásának a legnagyobb alakja a brit Rutherford volt. A témakörrel kapcsolatos tevékenységei idırendben: 1897: Kimutatja, hogy a Becquerel- sugarak nem lehetnek röntgensugarak. Rájön, hogy a radioaktív sugarak különbözı módon nyelıdnek el. Így felfedezi az alfa, és a hosszabb hatótávolság béta sugarakat. Felfedezi a mágneses mezıben való eltérülésüket. 1899: Felfedezi a radioaktív radon gázt, valamint a rádium, a polónium, és a bizmut számos új radioaktív izotópját. 1900: Felfedezi a radioaktív bomlás exponenciális törvényét, bevezeti a felezési idı fogalmát. McLunggal közösen kimutatják, a sugarak hatalmas energiát hordoznak. (Errıl a jelenségrıl a világ csak M.Curie eredményei után vesz tudomást.) Késıbb kimutatja azt is, az energia a kisugárzott részecskék számmával arányos. Soddyval közösen megfogalmazzák a radioaktív bomlás elméletét, miszerint a radioaktív sugárzás spontán atomátalakulások során keletkezik. 1904: Felveti, hogy a felezési idı alapján ásványok korát a héliumtartalmuk mérésével lehetne meghatározni. Már ekkor sejti, hogy a radioaktív bomlások során megfigyelhetı hélium nem egy bomlási sor végterméke. Elsıként végez ez alapján kızet kormeghatározásokat. Késıbb rájön arra, hogy a kızetek ólomtartalmát kell vizsgálni, mert az ólom van a bomlási sorok végén. Így elsıként sikerül a Föld korát milliárd év nagyságrendbe kitolnia. Mai korszerő kormeghatározási mérésekkel a legısibb földi kızetek kora 3,6 milliárd év, a meteoritekre pedig 4,6 milliárd év adódott. 1907: Visszatér Angliába, a manchesteri Victoria Egyetem meghívására. 1908: Végleges bizonyítékokat talál az alfa részecske természetére vonatkozólag. Sikerül kimutatnia Royds-szal közösen a hélium vonalait egy olyan kisülési csıben, amelyben csak radioaktív bomlásból szaporodhatott fel a nemesgáz. Soddy dbhs.wvusd.k12.ca.us/ Soddy Rutherford asszisztenseként kezdetben fıként mesterével ért el nagyon fontos eredményeket: 1902: A radioaktív anyagok vizsgálata során Rutherforddal arra a következtetésre jutnak, hogy a sugárzás atomátalakulással jár. Ezt az eredmény annyira meglepı volt, hogy kezdetben még ık maguk is csak nagyon félve merték ezt állítani. Bevezetik a felezési idı fogalmát. 1903: Igazolja, hogy a radon bomlásának végterméke hélium, de ezt még nem azonosítja az alfa részecskével. Rutherford és ı kimondják, hogy a radioaktivitás nem más, mint az elem atomjainak önmaguktól való átalakulása. Az átalakulások pedig csak statisztikusan értelmezhetıek, azaz azt nem lehet pontosan megjósolni, hogy mikor melyik atom bomlik el, de nagyszámú atomnak hosszú idın át történı megfigyelési eredményei már egyértelmő törvényekbe rögzíthetık. 1911: Bevezeti az izotóp kifejezést az azonos kémiai sajátosságot mutató, de különbözı tömegszámú elemekre. (iszosz, gör.= azonos; toposz, gör.= hely) Soddy az izotópok létezését a radioaktivitással kapcsolatban vezette be. Nyitott maradt az a kérdés, hogy nem radioaktív elemeknél is fordulnak - e elı ilyenek? 1912: Rájön arra, hogy a radioaktív elemek átalakulásai bomlási sorokba rendezhetık, és összeállít három bomlási sort. Megállapítja, hogy az alfasugárzásnál minden esetben kettıvel csökken a rendszám, néggyel a tömegszám. Rutherford felezési törvénye Rutherfordnak 1900-ban sikerült felírnia azt a törvényt, miszerint a radioaktív bomlás az idıben exponenciálisan zajlik. A grafikon egy anya és leányelem részecskeszámait mutatja az idı függvényében. A két elem felezési ideje most azonos nagyságrendő. A konkrét esetet tovább bonyolítaná a harmadik elemnek, a rádiumnak a megjelenı leányelemei is. A törvényt olyan radioaktív elemnél lehet jól nyomon követni, amelyiknek leányeleme stabil, vagy nagyon nagy felezési idejő. A Rutherford-Royds kísérlet

4 4 of 5 9/23/ :47 AM 1.kép: Az ábrán látható eszközzel sikerült 1909-ben kimutatni, hogy az alfasugárzás hélium atommag. A gondosan légtelenített üvegedény belsejében a rádium bomlásából keletkezı alfa részecskék, az 0,01 milliméternél is vékonyabb üvegfalon keresztül az edény felsı részébe jutottak. 2.kép: Két nap várakozás után a felgyülemlett gázt a beeresztett higany segítségével a kisülési csıbe nyomta Rutherford, ahol Roydsnak színképelemzéssel sikerült a hélium vonalait megtalálnia. Fajans Fajans ben felfedezi, hogy a bétasugárzásnál eggyel nı a rendszám, miközben a tömegszám változatlan marad. Az alfa sugárzás esetét fıleg Soddy vizsgálja. Egy bomlási sor Az ábrán az úgynevezett urán - rádium bomlási sort látjuk némileg egyszerősített formában. Figyelemre méltó az elsı bomlás nagyon nagy felezési ideje, ami 4,5 milliárd év. A természetben három bomlási sor fordul elı, a bemutatotton kívül az úrán-aktínium sorozat és a tórium sorozat. A negyediknek a neptúnium sorozatnak, csak utolsó tagja lelhetı már csak fel, a többi már mind elbomlott. A bomlási soroknak nagy jelentıségük volt például a Föld korának meghatározásában, ami négy és félmilliárd évnek adódott. Hevesy

5 5 of 5 9/23/ :47 AM Hevesy 1912-ben Rutherford intézetében dolgozott. Rutherford az osztrák-magyar kormánytól ajándékba kapott csaknem egy mázsa radioólmot, amelybıl a rádium D komponensével ( a rádium bomlásának negyedik leányelemével) akart kísérleteket folytatni, ám a hatalmas tömegő ólom ezt meghiúsította. Rutherford ekkor azt a feladatot adja Hevessynek, hogy a sugárzó rádium D-t különítse el az inaktív ólomtól. (Állítólag ezekkel a legendássá vált szavakkal bízta meg Rutherford Hevesy a munka elvégzésére: :"Megérdemli a sót a levesébe, ha elválasztja a rádium D-t a kellemetlenkedı ólomtól." A nyers stílus mindenesetre jellemzı volt Rutherfordra.) A sikertelen vegyészeti próbálkozások után Hevesy arra a következtetésre jut, hogy a rádium -D lényegében nem más, mint az ólom egyik radioaktív izotópja, kémiai megkülönböztetése tehát lehetetlen. Ugyanakkor azt a tételt fogalmazta meg, hogy ha az aktív anyag nem választható el az inaktívtól, akkor a sugárzó rádium-d felhasználható az ólom nyomjelzıjeként. Ez az elv alapvetınek bizonyult a nyomjelzı izotópok indikátorként való alkalmazásában. 1913: A bécsi egyetemen Panethtel elıször alkalmazta a radioaktív kémiai nyomjelzést ólom vegyületeken. A radioaktív nyomjelzés alapja az, hogy kémiai és biológiai folyamatokban egy elem inaktív és radioaktív módosulatai azonos módon viselkednek. Így ha egy anyagba vagy szövetbe egy kémiai elem sugárzó változatát juttatjuk be, akkor a sugárzás segítségével az adott elem útját nyomon követhetjük. További oldalak a radioaktivitásról itt találhatók. Vissza a fıoldalra