Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret
Radioaktivitás
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Sugárzás-időszak
A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Ez nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt. Radioaktív sugárzás a természetben is előfordul. Mérésére részecskedetektorokat használnak.
Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel:
1.Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti.
2.Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár 10 cm.
3.Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben praktikusan végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyengítik hatékonyan.
Az alábbi táblázat rendszerezi a három fontosabb és több további bomlásfajtát nagyjából csökkenő előfordulási valószínűség szerint rendezve. A az atom tömegszámát (protonok és neutronok együttes száma), Z pedig a rendszámot (protonok száma) jelöli.
| Bomlási mód | Résztvevő részecskék | Leánymagok | Mag gerjesztettség |
|---|---|---|---|
| Bomlás magemisszióval | |||
| Alfa-bomlás | Egy alfa-részecskét (A=4, Z=2) emittál a mag | ||
| Proton-emisszió | Egy proton kilökődik a magból | ||
| Neutron-emisszió | Egy neutron kilökődik a magból | ||
| Kettős proton-emisszió | Egyidejűleg két proton kilökődése a magból | ||
| Spontán hasadás | A kezdeti mag kettő vagy több kisebb magra, valamint részecskékre bomlik | ||
| Cluster decay | A mag kibocsát egy specifikus kis tömegű magot(A1, Z1) ami nagyobb, mint az alfa-részecske | ||
| A béta-bomlás különböző módjai | |||
| Negatív béta-bomlás | A mag egy elektront és egy antineutrínót emittál | ||
| Pozitron-emisszió vagy pozitív béta-bomlás | A mag egy pozitront és egy neutrínót emittál | ||
| Elektron-befogás | A mag befog egy keringő elektront és
kibocsát egy neutrínót – A leánymag gerjesztett, instabil állapotba kerül |
||
| Kettős béta-bomlás | A mag két elektront és két antineutrínót bocsát ki | ||
| Kettős elektron-befogás | A mag elnyel két körülötte keringő elektront és két neutrínót bocsát | ||
| Elektron-befogás pozitron-emisszió által | A mag elnyel egy keringő elektront és kibocsát egy pozitront és két neutrínót | ||
| Kettős pozitron-emisszió | A mag kibocsát két pozitront és két neutrínót | ||
| Átmenetek a mag két azonos összetételű állapota között | |||
| Gamma-bomlás | A gerjesztett mag kibocsát egy nagy energiájú gamma-fotont (gamma-sugárzás) | ||
| Belső konverzió | A gerjesztett mag energiát ad egy a mag körül „keringő” elektronnak és kilöki azt | ||
Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3,7·1010 Bq). A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával, a radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. Az a a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. Többet használják viszont a T felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele.
(1) elsődleges természetes radionuklidok
olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
felezési idejük nagyon hosszú
26 ilyen mag ismert. Például: 238U ( T=4,47·109 év ), 40K ( T=1,28·109 év ), 87Rb ( T=4,8·1010 év )
(2) másodlagos természetes radionuklidok
Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek
Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
38 ilyen mag ismert. Például: 226Ra (T=1600 év), 234Th (T=24,1 nap)
(3) Indukált természetes radionuklidok
állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
10 ilyen mag ismert. Például: 3H (T=12,3 év), 14C (T=5730 év)
(4) mesterséges radionuklidok
emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
2000 ilyen mag ismert 60Co, 137Cs, 24Na
Legfontosabb radioaktív atommagok
Amerícium 241Am
Antimon 125Sb
Cézium 134Cs, 135Cs , 137Cs
Jód 129I, 131I , 133I
Klór 36Cl
Kobalt 60Co
Kripton 85Kr , 89mn
Kűrium 242Cm , 244Cm
Plutónium 239Pu , 241Pu
Radon 222Rn
Rádium 226Ra , 228Ra
Ruténium 106Ru
Stroncium 90Sr
Szelén 75Se
Szén 14C
Tórium 232Th
Trícium 3H
Urán 235U , 238U
A periódusos rendszer radioaktív elemei
A periódusos rendszerben jelenleg 117 elemet ismerünk. Ebből 36 elemnek nincs stabil izotópja. Ezek az alábbi elemek:
technécium prométium polónium asztácium radon francium rádium aktínium tórium protaktínium
urán neptúnium plutónium amerícium kűrium berkélium kalifornium einsteinium fermium mendelévium
nobélium laurencium radzerfordium dubnium sziborgium borium hasszium meitnerium darmstadtium röntgenium
kopernícium ununtrium ununkvadium ununpentium ununhexium ununoktium
A radioaktív bomlás során egy kémiai elemből (anyaelemből) egy új elem (leányelem) jön létre. Előfordulhat, hogy ez utóbbi is radioaktív, így újabb bomlás történik. Ez a folyamat addig tart, amíg egy stabil elemhez nem érünk. Ezt nevezik bomlási sornak. A radioaktív bomlás során a tömegszám vagy néggyel csökken (az alfa-bomlás esetében), vagy nem változik (a béta-bomlás és gamma-bomlás esetében). Ezért négy bomlási sor létezik attól függően, hogy a tömegszám négyes osztású maradéka 0, 1, 2 vagy 3. Ebből a négy bomlási sorból csak az a 3 maradt meg, amelyeknél a leghosszabb felezési idejű izotóp felezési ideje nagyságrendileg összemérhető a Föld életkorával (U-238, U-235 és a Th-232). A negyedik (neptúnium) anyaelemének bomlási ideje kétmillió év, így ez ma már csak mesterséges eredetből található meg a Földön.
238U-család, (zárójelben a felezési idők):
238U (4,468·109 év), 234Th (24,1 nap), 234Pa (6,70 óra), 234U (245 500 év), 230Th (75 380 év), 226Ra (1602 év), 222Rn (3,8235 nap), 218Po (3,10 perc), 214Pb (26,8 perc) és 218At (1,5 s), 214Bi (19,9 perc) illetve 218Rn (35 ms), 214Po (164,3 µs) és 210Tl (1,30 perc), 210Pb (22,3 év), 210Bi (5,013 nap), 210Po (138,376 nap) és 206Tl (4,199 perc), 206Pb (stabil).
235U-család, (zárójelben a felezési idők):
235U (7,04·108 év), 231Th (25,52 óra), 231Pa (32 760 év), 227Ac (21,772 év), 227Th (18,68 nap), 223Fr (22,00 perc), 223Ra (11,43 nap), 219Rn (3,96 s), 215Po (1,781 ms), 211Pb (36,1 perc) és 215At (0,1 ms), 211Bi (2,14 perc), 207Tl (4,77 perc) és 211Po (516 ms), 207Pb (stabil)
232Th-család, (zárójelben a felezési idők):
232Th (1,405·1010 év, 228Ra (5,75 év), 228Ac (6,25 óra), 228Th (1,9116 év), 224Ra (3,6319 nap), 220Rn (55,6 s), 216Po (0,145 s), 212Pb (10,64 óra), 212Bi (60,55 perc), 212Po (299 ns) és 208Tl (3,053 perc), 208Pb (stabil)
237Np-család, (zárójelben a felezési idők):
237Np (2,14·106 év), 233U (1,592·105 év), 229Th (7,34·104 év), 225Ra (14,9 nap), 225Ac (10,0 nap), 221Fr (4,8 perc), 217At (32 ms), 213Bi (46,5 perc), 209Tl (2,2 perc), 209Pb (3,25 óra), 209Bi (1,9·1019 év), 205Tl (stabil)
Élőlények maradványainak a korát a bennük található radioaktív 14C izotóp (a felezési ideje 5560 év) koncentrációjából lehet meghatározni. A magas légkörben folyamatosan keletkező 14C izotóp (radiokarbon) beépül az élő szervezetbe. Az élőlény kimúlása után az anyagcsere megszűnik, és a 14C/12C izotóparány csökkenni kezd, mivel a kémiai tulajdonságokat meghatározó rendszám azonos, ezért az arány csupán a bomlás miatt változik meg. A maradványból kinyert szén megváltozott izotópösszetételéből következtetni lehet a maradvány korára. Ez a módszer kb. 40-50 ezer évig használható durván 10%-os pontossággal (ezen idő elteltével a 14C szinte teljesen eltűnik a maradványból).
Megjegyzés: bizonyos korrekciókkal a radiometrikus kormeghatározás pontossága nagymértékben növelhető, de ennek feltételei nem mindig teljesülnek. A radiokarbonos módszerhez pl. kiváló kalibrációs lehetőséget adnak a fák évgyűrűinek elemzései.
Más radionuklidokkal más korszakokat lehet vizsgálni (például: a 235U/238U arányból is meg lehet állapítani a Föld korát).
Borok és egyes elzárt vízrétegek korát a bennük lévő trícium arányából határozzák meg.
A radioaktív nyomkövetés vagy nyomjelzés, amelyet Hevesy György dolgozott ki, a következőn alapszik: a rendszerben levő bizonyos elem egy részét ugyanazon elem radioaktív izotópjára cseréljük. Ettől kezdve különböző detektorokkal lehet követni az elem mozgását a rendszerben. Ily módon a pajzsmirigy működését, (a pajzsmirigybe radioaktív jódot viszünk), az erek átjárhatóságát, a növények tápanyagcseréjét (radioaktív foszforral) lehet vizsgálni.
Az izotópos füstjelző berendezések működésének elve, hogy a kis áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (magyarul füst) nagy mértékben elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken.
Megjegyzés: Az alfa-részecske kétszeresen pozitív, így egy sugárzó izotóp, felezési időtől függően, hosszú ideig egy állandó átfolyó áramot indukál, ezt a tulajdonságát használják ki a pacemakerekben, hiszen így a beteget nem kell maximum 5-10 évente egy nyílt mellkas műtétnek kitenni, amit egy normál elem cseréje okozna.
Tartalomjegyzékhez < Világképem < Sugárzás-időszak
------------------
http://hu.wikipedia.org/wiki/Radioaktivit%C3%A1s