Tamás Ferenc: Természetes radioaktivitás és hatásai A radioaktivitás a nem stabil magú atomok (más néven: radioaktív) természetes úton való elbomlása. Ez a bomlás igen nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt vagy nagy energiájú részecskéket bocsájt ki, ami az élő szövetet nagy mértékben képes roncsolni. Mivel maga a sugárzás nem érzékelhető, csak speciális, úgynevezett GM-számláló val, ezért sokszor nevezik láthatatlan gyilkos kórnak. Jele a sárga háromszögbe zárt fekete színű, sugárzást jelképező körszeletek. (Kép eredetije: www.whatisnuclear.com) Radioaktivitás felfedezése A radioaktivitást Henry Becquerel (1852-1908) francia tudós fedezte fel 1896-ban, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Becquerel foszforeszkáló anyagokkal kísérletezett. Elmélete szerint a katódsugárcső fénye valamiképpen összefügg az ilyen fényt kibocsájtó anyagokkal. Különféle anyagokat burkolt be fekete papírba egy fényképlemezzel együtt és vizsgálta a lemez elfeketedését. Nem észlelt semmilyen reakciót, amíg nem próbálkozott az uránsókkal. Viszont az uránsó semmilyen foszforeszkáló tulajdonsággal nem rendelkezik, így a fényképlemezt szükségszerűen valami más feketítette meg. Tehát valamit kibocsájtott az uránsó, ami ezt a feketedést okozta. Becquerel vizsgálatai szerint ez e feketedés egyenesen arányos az urán koncentrációjával, tehát szükségszerűen az urán tulajdonsága. Ez lett a radioaktív sugárzás. Pierre és Marie Curie további radioaktív elemek után kutatva fedezte fel a tórium hasonló tulajdonságát. A rendelkezésükre 1 / 20
álló uránércből még két radioaktív elemet vontak ki: rádiumot és a polóniumot. Munkájuk nagyságára jellemző, hogy 8 tonna uránércből tudtak kivonni kb. 0,1 gramm rádiumot. (A lenti képek forrása: h ttp://www.nobelprize.org/ ) 2 / 20
Bár felfedezett Rutherford felfedezte, részecskék hatósugarú Paul pedig teljesen olyan tehát Henry 1852-1908 Pierre 1859-1906 Marie 1867-1934 Fizikai Kémiai eleinte Ulrich bár módosulata, 1900-ban Sklodowska-Curie Becquerel Nobel-díj: leárnyékolni. azonos röntgensugarakhoz, hogy úgy alkotnak. alfa-sugárzást, Villard látszott, fedezte a elemek, 1903 1911 radioaktivitásnak amely Így Szintén hogy fel mutatták azonos de valamint a más gamma-sugárzást, a felfedezték, radioaktivitás protonszám és ki Becquerel több a más kb. XX. fajtája 10-20 lehet hogy század igen kutatásai mellett a sok is centiméter amit tömegszámuk. van, hasonlít elején radioaktív más min. amelyet nyomán a és 10 az levegőben hatósugarú más centiméternyi akkor elemnek különböző a Curie-házaspár neutronszámmal csak alig létezik béta-sugárzást. nemrégiben tömegű 2-3 ólom izotópja, centiméter sem és jött Ernest töltésű képes létre: azaz Bomlási módok Alfa-bomlás A mag egy alfa-részecskét bocsájt ki, amely gyakorlatilag egy hélium-atommag, azaz két protonból és két neutronból áll. A töltése pozitív, az elemi töltés kétszerese. Tömege elég nagy, mivel 4 nukleont tartalmaz. Részecskeméretével is ez a fajta sugárzás a legnagyobb. Hatása: igen erősen ionizáló. Hatótávolsága: 2-3 centiméter levegőben. Igen gyakori, hogy az alfa-bomlást egy tisztán energiából álló gamma-bomlás követi, ami a mag feleslegessé vált energiáját vezeti le. Béta-bomlás Két különböző fajtája lehetséges: a Béta+ és a Béta-. Különbségüket az adja, hogy milyen töltésű részecske keletkezik. Béta- esetén a mag egy elektront és egy nagy erejű különleges részecskét, ún. antineutrinót bocsájt ki. Úgy is el lehet képzelni, hogy a magban egy neutron bomlik és keletkezik: egy proton (magban marad), egy elektron (kibocsájtja a mag) és felesleges energia (kibocsájtja a mag). 3 / 20
Béta+ esetén a helyzet kicsit más, ugyanis ilyenkor egy pozitív töltésű, de elektron tömegű részecske, az pozitron lökődik ki a magból. A mag pedig a felesleges energiát egy újabb speciális részecskét, az ún. neutrínó t bocsájt ki. A Béta-sugárzás így elektromosan töltött, de tömege igen kicsiny, mivel csak elektron-tömegű részecskéket tartalmaz. Hatása: ionizáló. Hatótávolsága: 10-20 centiméter levegőben. Sokszor előfordul, hogy a béta-bomlást egy gamma-bomlás követi, ami a mag felgyűlő energiatöbbletét vezeti le. Gamma-bomlás Itt csupán energia távozik a magból, bár ezen energia igen nagy intenzitású. Ritkán lép fel önállóan, általában az alfa-bomlás, vagy a béta-bomlás kísérője. Hatótávolsága igen nagy. Leárnyékolása nehéz, de pl. 20 centiméternyi tömör ólomfal már megfelelő. (Kép eredetije: htt p://en.wikipedia.org/wiki/radioactive_decay ) A gamma-bomlás az a különleges fajta radioaktív jelenség, ahol az adott jelenségnek leginkább hullámtermészete van és alig-alig tulajdonítunk neki némi részecske-tulajdonságot. Ez adódik például abból is, hogy az alfa- és a béta-bomlás esetében adott a tömeg, így a legnevezetesebb Einstein-egyenlet hatására (E=mc 2 ) adott az energiájuk is. Ellenben a gamma-bomlásnál nem adott az energia mennyisége, mivel például a másik két bomlás hulladéka is lehet a gamma-bomlás. Aktivitás Egy adott sugárzó anyag aktivitása megmutatja, hogy másodpercenként hány atom bomlik el. Fontos, hogy az egyes atomokról nem tudjuk megmondani, hogy mikor bomlanak el, de az egész anyagmennyiséget tekintve igen pontosan meg tudjuk mondani, hogy mikor fog elbomlani pl. a fele. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére). 1 becquerel azon anyag radioaktivitása, amelyben 1 bomlás történik másodpercenként. A konkrét bomlási törvény nem ilyen egyszerű, mert ahhoz már kell némi matematika is (középiskolás elég!): 4 / 20
Itt az N 0 jelenti a kezdeti atommagok számát, míg az N(t) a jelenlegi atommagok számát. A t az eltelt idő, míg az a pedig a bomlási állandó, amely megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el 1 atom egyetlen másodperc alatt. (e = 2.71828183 állandó) Ez helyett sokkal megfoghatóbb és érthetőbb a felezési idő, amely azt mondja meg, hogy mennyi idő alatt fog a mintában lévő atomok fele mennyi idő alatt fog elbomlani. Képlettel kifejezve: T= ln2 / a. Tájékoztatásul néhány anyag felezési ideje: Anyag neve Vegyjel Sugárzás típusa Felezési idő Thórium-234 5 / 20
Th alfa 4,5 milliárd év Protactínium-234 Pa béta 24 nap Uránium-234 U béta 1,2 perc 6 / 20
Thórium-230 Th alfa 240 ezer év Rádium-226 Ra alfa 77 ezer év Radon-222 Rn alfa 7 / 20
1600 év Polónium-218 Po alfa 3,8 nap Bizmut-214 Bi béta 27 perc Polónium-214 Po 8 / 20
béta 20 perc Ólom-210 Pb alfa 160 ezred másodperc Bizmut-210 Bi béta 22 év Polónium-210 9 / 20
Po béta 5 nap Ólom-206 Pb alfa 140 nap Bomlási sorok Mivel az alfa-bomlás 4-gyel csökkenti a nukleonok számát, viszont a béta-, illetve a gamma-bomlás nem befolyásoló tényező, ezért a 4-es osztási maradék szerint a természetben 4 alapvető bomlási sor létezik. Kiinduló elemek: U-238, U-235, Th-232 és Np-237. A legutolsó, Neptúnium-kezdetű a természetben már nem fordul elő, mivel a kiinduló eleme viszonylag kicsi, csupán 2 millió éves felezési idővel rendelkezik, ezért ez a sor gyakorlatilag már elbomlott. A sor igazából a Pu-241-es viszonylag stabil elemmel kezdődik, de stabilabb volta miatt inkább a Neptúniumot tekintjük a kezdetnek. Az ide tartozó elemeket csak mesterségesen előállítva lehet megfigyelni! 10 / 20
Atommagi erők A hagyományos, elektromosan töltött testek között mindig hatnak elektromos erők. Ezek az erők taszítóak, ha mindkét test azonos előjelű. Mivel a nagyobb atommagokban bőven találhatók pozitív töltésű protonok, így a Coulomb-erők szétvetnék a magot, ha nem lenne egy ennél sokkal nagyobb vonzóerő: a magerő! Tulajdonságai: - csak a magot alkotó nukleonok (protonok és neutronok összefoglaló neve) között lép fel. - mindig vonzó 11 / 20
- rendkívül kis távolságon hat: 2*10-15 m (tulajdonképpen csak a magon belül). Csak viszonyításképpen ez kb. 100-szor erősebb, mint a megegyező távolságú protonok közötti taszító erő! - rendkívül erős, mivel a magot tökéletesen egyben tartja. Csak érdekességképpen: az atommag sűrűsége hozzávetőlegesen: 10 14 g/cm 3. Magyarul egy kávéskanálnyi helyen 10 milliárd tonna tömeg összpontosul! Radioaktív sugárzás mérése A radioaktív sugárzás útján terjedő energiának adott közegben elnyelt mennyisége a dózis. Ez jellemző a sugárzás és az anyag kölcsönhatására. Gyakorlatban a dózis adott idő alatti sugárterhelést írja le. Az elnyelt dózis a besugárzott anyag egységnyi térfogatában elnyelt energia és a térfogat hányadosa. Mértékegysége: grey. Rövidítése: gy - Louis Harold Gray (1905-1965) angol sugárbiológus tiszteletére. A sugárzás és az anyag kölcsönhatása viszont igen sokféle lehet. Ezen sugárzásokat egységes skálán jeleníti meg a dózisegyenérték. Ez az elnyelt dózis és egy, a sugárzás jellegére vonatkozó minőségi tényező szorzata. Élő anyag esetében ehhez még hozzá kell számolni az egyes szervekre gyakorolt biológiai hatást. Alkalmazott mértékegység: Sievert. Rövidítése: Sv Rolf Sievert (1898-1966) svéd fizikus tiszteletére. Egy ember átlagosa évi 3,6 msv dózist nyel el. Ezt sok minden okozhatja, például a levegőben levő radon, a háttérben állandóan jelen lévő kozmikus sugárzás, illetve egyes röntgenvizsgálatok. Lényeges adat, hogy ebből a 3,6 msv-ből kb. 2 msv-t a természetes háttérsugárzás adja. Tehát ez az éve dózis kb. 80%-a! 12 / 20
Éves sugárterhelés az Egyesült Államokban: (Forrás: http://www.physics.isu.edu/radinf/radrus.htm ) Forrás Dózis (msv/év) Az összes terhelés %-a Természetes Radongáz 2 55 Kozmikus 0,27 13 / 20
8 Földfelszíni 0,28 8 Belső 0,39 11 Összes természetes forrás 82 Mesterséges 14 / 20
Orvosi röntgen 0,39 11 Nukleáris tartalmú gyógyszerek 0,14 4 Fogyasztói termékek 0,1 3 Összes mesterséges forrás 18 15 / 20
Egyéb forrás Munkahelyi <0,01 <0,3 Nukleáris üzemanyag <0,01 <0,3 Baleset <0,01 <0,3 16 / 20
Egyéb források <0,01 <0,3 Valamennyi mesterséges 0,63 18 Teljes terhelés 3,6 100 17 / 20
Gyakorlati alkalmazás Radiokarbon kormeghatározás Az élőlények maradványainak korát elég pontossággal meg lehet határozni a radioaktív C-14-es izotóp koncentrációjából, melynek felezési ideje: 5560 év. A hatás alapja: a magas légkörben, 9-15 km-es magasságban folyamatosan keletkezik C-14, mely folyamatosan épül be a szervezetünkbe. Miután az élőlény meghal, így az anyagcsere megszűnik, tehát a C-14/C-12 izotópok aránya csökkenni kezd. Ám a kémiai tulajdonságokat meghatározó rendszám nem változik, ezért az arány csupán a bomlás miatt változik meg. A maradványból kinyert szén pontos izotópos összetételéből egész jó pontossággal (10 %) lehet következtetni a maradvány életkorára. A módszer határozott hátránya azonban, hogy legfeljebb 40-50 ezer éves korig ad aránylag jó értéket. Ezt a technikát Willard Frank Libby és munkatársai dolgozták ki 1949-ben a Chicago-i Egyetemen. (Kémia Nobel-díj: 1960; kép forrása: http://www.nobelprize.org/ ) Radioaktív nyomjelzés 18 / 20
Lényege: egy élő szervezetben jelen lévő anyagot egy adott radioaktív anyagra cseréljük fel befecskendezéssel, majd ennek szétterjedését megfigyeljük különböző detektorokkal. Kidolgozó: Hevesy György (1885-1966; Kémiai Nobel-díj: 1943; Kép forrása: http://www.nobel prize.org/ ). Így kiválóan megfigyelhető pl. a pajzsmirigy, melybe radioaktív jódot viszünk be. Hasonlóan jól lehet megfigyelni a növények tápanyagcseréjét radioaktív foszforral. Az előzőektől erősen különböző, de hasznos berendezés az izotópos füstjelző berendezések működési elve: a kicsi áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (azaz a füstön) elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken. Források: http://en.wikipedia.org/wiki/radioactive_decay 19 / 20
http://hu.wikipedia.org/wiki/radioaktivit%c3%a1s http://www.whatisnuclear.com/ http://en.wikipedia.org/wiki/plutonium-241 http://www.izotop.hu/ http://wapedia.mobi/hu (c) TFeri.hu, 2009 Felújítva: 2016. 20 / 20