RADIOKÉMIA. László Krisztina, F ép. I. lh., I. emelet, 135

Átírás

1 RADIOKÉMIA László Krisztina, F ép. I. lh., I. emelet, 135 klaszlo@mail.bme.hu Nagy Lajos György és LK: Radiokémia és izotóptechnika Műegyetemi Kiadó 1997

2 Antoine Henri Becquerel ( ) Maria Skłodowska-Curie ( )

3 Az atommag felépítése n p+e - +0,8 MeV m E, MeV p 1, g 938,27 n 1, g 939,55 e 9, g 0,51

4 Stabilis nuklidok jelölések AN Z Z X neutronok szerepe

5 A magok kötési energiája M<Zm p + Nm n E mc 2

6 A nuklidok csoportosítása Izotóp: Z azonos Izobár: A azonos Izotón: N azonos Izotópeffektus Radioaktív izotóp! alkalmazások spektroszkópia (pl. rezgési, MS) oldószer (NMR, neutronszórás) dúsítás CSIA: compound specific isotope analysis elhanyagolás? nyomjelzés rendhagyó szerves szintézis

7 Radioaktivitás A mag energiafeleslege spontán magátalakulással szűnik meg, miközben a mag tulajdonságai időben változnak és energia szabadul fel. Megmaradási elvek

8 Spontán magátalakulások

9

10

11 Izomer átalakulás Am Z X A Z X E h Izomer átalakulással bomló izotópok nuklid T 1/2 E, MeV 60m Co 10,5 min 0,059 99m Tc 6,0 h 0,143

12 - bomlások -bomlás + -bomlás elektronbefogás A Z A Z A Z1 X Y np A Z 1 X Y pn A Z A Z 1 * e X Y e pn exoterm endoterm endoterm közös tulajdonságok: A=állandó Z=1 vagy

13 Tiszta - -sugárzó izotópok nuklid energia, MeV T 1/2 3 H 0,018 12,26 a 14 C 0, a 32 P 1,71 14,3 d 35 S 0, d 90 Sr 0,54 28,1 a 90 Y 2,25 64 h Kevert (+) sugárzó izotópok nuklid T 1/2 -energia, MeV -energia, MeV 60 Co 5,27 a 0,31 1,17/1, I 8,07 d 0,61 0, Cs 30,23 a 0,51 0,662

14 Pozitron bomló izotópok nuklid T 1/2 11 C 20,3 min 13 N 9,97 min 15 O 124 s 18 F 109,7 min E + MeV 0,97 1,2 1,7 0,064

15 EX izotópok A Z A Z 1 e X Y * A A Z 1 Y * Z 1Y Xkar nuklid T 1/2 54 Mn 303 d 125 I 60 d E MeV 0,84 0,035 15

16 A Z -bomlás A 4 4 Z 2 2 részecske 2+ X Y He 4-9 MeV nuklid T 1/2 235 U 7,1E8 a 226 Ra 1600 a 222 Rn 3,8 d

17 spontán maghasadás 44,5*10 6 vs. 25 bomlás / óra /g urán spontán neutronbomlás - - bomlás alternatívája

18 Gamma-sugárzás az atommagból kilépő elektromágneses sugárzás vonalas spektrumú izomer átalakulás/kísérő sugárzás -sugárzások az atommagból kilépő elektron vagy pozitron sugárzás folytonos spektrumú lehet önálló (de!) kísérő sugárzásai lehetnek: gamma, karakterisztikus röntgen (X) Alfa-sugárzás az atommagból kilépő vonalas spektrumú kísérheti gamma-sugárzás 4 He 2+ 2 sugárzás

19 A radioaktív bomlások kinetikája

20 A dn dt N N e t 0 Egylépéses egyszerű magátalakulás N A A e t 0 T 12 ln2 A 1 idő 1 bomlás másodperc 10 1 Ci = 3,7 10 Bq 1 becquerel = 1 Bq I=kA ágarány tényező

21 Kormeghatározás Libby 1946, 1960 Jégbefagyott mamut-tetemet találtak Szibériában. Testében a 14 C mennyisége 21 %-a volt csak a ma élő állatokhoz képest. (Ma élő állatokban 12). 12C 10 C Milyen régi a tetem? A radioszén felezési ideje 5730 év. 14

22 A A e X X X Y Y T T Z X,0 1/2, X 1/2, Y stabilis A Y Y Y NY AX,0 exp Xt exp Y t, Y X A Y 1 exp Y AX Y X t. Y Bomlási sorok A A A X t X X Y és X Y viszonya? 22

23 Teoretikus példa T T 1 2, A 1 2, B T 1/2,A = h T 1/2,B =0,8h Szekuláris egyensúly Valós pl a 64h Sr Y Zr

24 Valós pl. 2 további hosszú felezési idejű leányelemek Po Bi Pb Po Rn AEROSZOLOK ESŐCSEPPEK légáramlás ülepedés csapadék rések, ahol a radon egy része kijut a talajból a légkörbe FÖLDFELSZíN 238 U Th Pa 234 U Th Ra Rn radonnak a talajban maradó része 222 Rn a 86 3,83d 82 Ra Rn... Pb

25 A sugárzás kölcsönhatása az anyaggal 25

26 Lineáris energiaátadás (LET) levegő de/ dx 1/ v 2 Az elnyelődés mértéke mitől függ? Radioaktívak lesz-e egy anyag, ha nukleáris sugárzás éri? Előállíthatók-e mesterségesen radioaktív magok? 26

27 Részecskék (m, töltés) I. II. III. a b p e + n e - X Partner 1. Molekulák 2. Elektromos erőtér ionizáló sugárzás 3. Elektron 4. Atommag erőtere magreakció 5. Atommag Mechanizmus A) Elnyelődés sugárzás: I, E (abszorpció) anyag: E kin, E* B) Koherens szórás sugárzás: I (csak irányváltozás) anyag: - C) Inkoherens szórás (energiacsere is) sugárzás: I, E rugalmas (nincs gerjesztés) anyag: E kin rugalmatlan E kin, E* 27

28 1. Ionizáló sugárzások 28

29 Az ionizációs kölcsönhatások első lépése az anyag oldaláról 1. Semleges gerjesztés A + sugárzás A* + sugárzás 2. Külső ionizáció A + sugárzás A + + e - + sugárzás A 2 + sugárzás A + + A - +sugárzás A 2 + sugárzás A e - + sugárzás A 2 + sugárzás 2 A + sugárzás 3. Belső ionizáció A + sugárzás A* + + e - + sugárzás A* + A + + X k A* + A 2+ + e - Auger 4. Fékezési röntgensugárzás A + sugárzás A + X f + sugárzás DETEKTÁLHATÓSÁG ALAPJA 29

30 A kölcsönhatások száma nx A dn (E)n A dx n I n e 0 0 I e ( E) Ax ' x lineáris gyengülési együttható 30

31 -sugárzás Intenzitás Elektronnal inkoherens szórás ionizáció és gerjesztés (50-50 %) energia- és irányváltozás Maggal magátalakítás, Rutherford-féle szórás! folytonos röntgensugárzás! R A lev A M M A lev R lev 31

32 -sugárzás Elektronnal inkoherens szórás ionizáció (külső és belső) és gerjesztés energia- és irányváltozás A mag erőterével inkoherens szórás! folytonos röntgensugárzás! de dx r EZ de 800 dx ion, 0 x 0 d I I e I e /= x =d tömeggyengülési együttható 32

33 -sugárzás 1. Compton-szórás E C E E Nagy energia: kisebb eltérülési szög preferált Az egyenletekben szereplő a foton eltérülésének szöge (az ábrán jelöli). 33

34 C = s + a a E 0,51

35 2. Fotoeffektus n(e)=4-5 35

36 3. Párképzés 36

37 d ( ) 0 0 I I e I e C f p d Ge Compton-szórás Fotoeffektus Párképzés 37

38 38

39 2. Magreakciók

40 Végbemeneteli valószínűség 10 B + 10 B + 14 N* 13 C +p 12 C + d 13 N +n Átmeneti mag 1. (n,) (n,f) 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu 10 B(n,) 6 Li(n,) 2. (,n) (n,2n) (n,) (p, ) (d, ) alagúteffektus

41 dn dt * N N a * * N N 1 exp t A A 1 exp t * A N N A magreakciók időtörvénye a * A' N A 1 exp t exp th

42 A neutronok kölcsönhatásai az anyaggal - rugalmas ütközés Könnyű elemek neutronlassítása (E 0 = 2 MeV, E = kt) Elem 1H 2D 4He Be C Al E, kev n ,72 0,43 0,21 0,16 0, rugalmatlan ütközés gerjesztett mag, h - neutronbefogás (abszorpció): (n,?)

43 A neutronok osztályozása 1. Lassú neutronok a) hideg neutronok E 0,025 ev b) termikus neutronok 0,025 ev E 0,44 ev c) rezonancia neutronok 0,44 ev E 1000 ev 2. Közepes energiájú neutronok 1 kev E 500 kev 3. Gyors neutronok 0,5 MeV E 10 MeV 4. Nagy energiájú neutronok 10 MeV E 50 MeV 5. Szupergyors neutronok 50 MeV E

44 n, 113 Cd(n,) 114 Cd =6, m 2 n, B n, Li 310 m nf, maghasadás Izotóp 235U 233U 239Pu 241Pu 238U 232Th Kiindulási anyag természetes urán tórium, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás természetes urán természetes tórium Hatásos neutron termikus termikus termikus termikus gyors gyors

45 A maghasadás (n,f) U U n 3n Kr+ Ba +200 MeV 50 út, 35 elem 300 izotópja Kr Rb s 2,7 min 28a 64h Sr Y Zr

46 A 200 MeV megoszlása a hasadványok kinetikus energiája: 160 MeV a neutronok kinetikus energiája: 5 MeV a -sugárzás energiája: 5 MeV a szekunder radioaktív bomlás energiája: 20 MeV a neutronok befogásakor felszabaduló energia: 10 MeV önfenntartó láncreakció: szabályozás

47 Építsünk reaktort!

48 1. üzemanyag 238 U: 99,2% 235 U: 0,71%. Izotóp 235U 233U 239Pu 241Pu 238U 232Th Kiindulási anyag természetes urán tórium, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás 238U, neutronbesugárzás természetes urán természetes tórium Hatásos neutron termikus termikus termikus termikus gyors gyors 2. neutronok lassítása: moderátor Különböző moderátoranyagok lassítási jósága H 2 O D 2 O C Be a, m -1 s, m -1 Lassítási jóság

49 3. szabályozás Cd n, Cd 6,3110 m 25 2 természetes Cd 8 10 m B n, Li 3 10 m 4. neutrongazdálkodás A neutronok lehetséges sorsa: 1. Hasítás: 2. Befogás hasítás nélkül: - a fűtőanyagban (pl. 235 U és 238 U magokban), - a moderátorban, - szerkezeti anyagokban, - a hasadási termékekben* - a szabályozó rudakban (pl. kadmium) 3. Kidiffundálás a környezetbe. *135 Xe(n,) Xe ( 2,7 10 m ) 149 Sm(n,) Sm ( 6,6 10 m ) 157 Gd(n,) Gd ( 4,6 10 m ) reaktorméreg

50 5. energiaelvitel: hűtőközeg nagy hőkapacitás nagy tisztaság finomszabályozás

51 Nukleáris méréstechnika Nukleáris sugárzások detektálása

52 Az ionizációs kölcsönhatások első lépése az anyag oldaláról 1. Semleges gerjesztés A + sugárzás A* + sugárzás 2. Külső ionizáció A + sugárzás A + + e - + sugárzás A 2 + sugárzás A + + A - +sugárzás A 2 + sugárzás A e - + sugárzás A 2 + sugárzás 2 A + sugárzás 3. Belső ionizáció A + sugárzás A* + + e - + sugárzás A* + A + + X k 4. Fékezési röntgensugárzás A + sugárzás A + X f + sugárzás DETEKTÁLHATÓSÁG ALAPJA

53 Detektálási lehetőségek/igények: igen/nem sugárzás fajtája sugárzás energiája integráló azonnali későbbi kiolvasás pillanatnyi érték (ratemeter)

54 GM cső gázionizáció Holtidő!

55 Szcintillációs detektor

56 Leggyakoribb szcintillátor anyagok A detektálandó sugárzástól függ Pl. NaI(Tl) gamma Műanyag szcintillátor béta ZnS alfa A folyadékszcintillációs méréstechnika kis energiájú radioaktív izotópok mérésére ( 3 H, 14 C) a szcintillátor és a mérendő anyag közös oldatban mechanizmus + koincidencia

57 Félvezető detektor Félvezetők tulajdonságai Si Ge CdTe Rendszám, Z A tiltott sáv szélessége, ev 1,12 0,74 1,47 Ionizációs energia, ev 3,61 2,98 4,43 Ge(Li) HPGe, Si(Li) 57

58 A DETEKTOROK ÖSSZEHASONLÍTÁSA TULAJDONSÁG GM CSŐ SZCINTILLÁCIÓS FÉLVEZETŐ Alkalmazási Főleg részecske- bmilyen bmilyen terület sugárzás Detektálási Részecskékre (,,n) Ált. jó Ált. jó, hatásfok közel 100 %, esetenként erős elmágn. Sugárzásra T-függés 1-2% Holtidő < 1 ms <1 s <0.1 s Ár Alacsony Drága kiegészítő Drága egységek (+üzemeltetés) Egyéb Hosszú élettartam Magas A driftelt detekszáml. seb. torokat használaton kívül is hűteni kell 58

59 Kötelező olvasmány: Tankönyv (1997) Radiokémia és izotóptechnika, ,

60 A nukleáris háttérsugárzás 60

61 TERMÉSZETES 1.) kozmikus háttér töltött részecskék (p, ) + levegő másodlagos részecskék sugárzás 14 3 N n, 3 H N n, C H N n, p C 22 Na 7 Be 61

62 Egyenértékdózis, H ~ A, J/kg, Sv 62

63 2.) Földkéreg A geológiai fejlődés során hosszú T 1/2 -ű nuklidok bányászható mértékben felszaporodtak ill. szétoszlanak a talajban és az építőanyagokban. 63

64 Természetes eredetű hosszú felezési idejű izotópok Ősi/földi izotópok Kozmogén izotópok 40 K 1.3x10 9 év 238 U 4.5x10 9 év 235 U 7.0x10 8 év 234 U 2.4x10 5 év 226 Ra 1600 év 222 Rn 3,8 nap 232 Th 1.4x10 10 év 230 Th 7.5x10 4 év 228 Th 1.9 év 3 H 12 év 14 C 5730 év további hosszú felezési idejű leányelemek légáramlás Po Bi Pb Po Rn AEROSZOLOK ülepedés ESŐCSEPPEK csapadék rések, ahol a radon egy része kijut a talajból a légkörbe FÖLDFELSZíN 238 Radioaktív családok U Th, 237 Np, 238 U, 235 Th Pa 230 Ra Rn 234 Th U U radonnak a (Tankönyv 78. oldal) talajban maradó része 86 Rn

65 65

66 MESTERSÉGES Hosszú felezési idejű izotópok az üzemanyagciklusban Transzurán izotópok Hasadási termékek 239 Pu 2.44x10 4 év 240 Pu 6600 év 241 Pu 14 év 238 Pu 86.4 év 237 Np 2.2x10 6 év 241 Am 432 év 244 Cm 7.9 év 242 Cm 163 nap 137 Cs 30 years 131 I 8 nap 99 Tc 2.13x10 5 years 90 Sr 28 years 89 Sr 50 days 129 I 1.57x10 7 years Nukleáris üzemanyag 238 U év 235 U 7.0x10 8 év 234 U 2.4x10 5 év 232 Th 1.4x10 10 év 230 Th 7.5x10 4 év 228 Th 1.9 év Aktiválási termékek 60 Co 5 év 59 Ni 7.5x10 4 év E.C. 63 Ni 100 év 3 H 12 év 14 C év 66

67 M A szervezet belső terhelése: T T T T eff fiz biol 67