RADIOAKTIVITÁS

ISMÉTLÉS

Az atommagok felépítése Az atommagok 10-15 m méretű részecskék. Pozitív elektromos töltésű protonokból és semleges neutronokból állnak. A protonokat és neutronokat összefoglaló néven nukleonoknak nevezzük. A proton és a neutron nem elemi részecskék, bennük kvarkok találhatók. Egy atommagot az összetételével jellemezzük. A benne lévő protonok számát rendszámnak nevezzük, és általában Z betűvel jelöljük.

ahol X helyébe a Z rendszámú elem kémiai vegyjelét kell írni Nem a neutronok számát szokás megadni második adatként, hanem az atommagban található összes nukleon számát. Ezt tömegszámnak hívjuk, és „A” betűvel jelöljük. Nyilván A = Z+N (ahol N a neutronok száma). Egy meghatározott atommag jele: . ahol X helyébe a Z rendszámú elem kémiai vegyjelét kell írni

Henri Becquerel (1852-1908) Felfedezi a radioaktív sugárzást 1896-ban. Ásványok fluoreszkálását vizsgálta és arra lett figyelmes hogy a különböző uránvegyületek – uránsók sugárzást bocsátanak ki magukból anélkül hogy külső világítás vagy más hatás érte volna őket előzőleg.

FLUORESZKÁLÁS FOSZFORESZKÁLÁS

Fluoreszkálás: Ez a jelenség a megvilágítással egyidőben történik. Itt van jelentősége az ultraibolya fénynek, hiszen azt szemünk nem fogja fel. A fluoreszkáló anyagoknak éppen az a jelentőségük, hogy a megvilágítással egyidőben, de más (meghatározott) hullámhosszú fényt bocsátanak ki. Ha ez a hullámhossz a látható tartományba esik, akkor megint csak úgy érzékeljük, mintha "világítana".

A fluoreszcencia során egy anyagot besugárzunk valamilyen külső sugárzással, és az anyag ennek hatására másfajta (pl. más hullámhosszúságú) sugárzást bocsát ki. Ez az a jelenség, amelyet kihasználnak pl. diszkókban vagy show-műsorokban, amikor ultraibolya fényt kibocsátó lámpák fénye hatására a fehér színű ruhadarabok szinte világítanak. Vannak olyan anyagok is, amelyek különböző szép élénk színekben világítanak az ultraibolya besugárzás hatására. Ezekkel látványos, színes táncokat szoktak bemutatni a sötétben

A MAGYAR ÚTLEVÉL UV FÉNYBEN

Foszforeszkálás: A foszforeszkáló anyag a megvilágítás megszűnése után maga is fényt bocsát ki. Ebben az esetben nem kell ultraibolya fénynek lennie, közönséges megvilágítás után, ha mondjuk lekapcsoljuk a villanyt, a sötétben láthatjuk, ahogy a foszforeszkáló anyag "világít".

MIRE IS NEM TUDJUK FELHASZNÁLNI A NAGY FELFEDEZÉSEKET? FOSZFORESZKÁLÓ WC PAPÍR „CSAK” 2750 Ft (bigyóshop)

A foszforeszcencia annyiban különbözik a fluoreszcenciától, hogy itt a besugárzást követő fény kibocsátása nem (csak) azonnal történik, hanem a besugárzást követően még hosszabb ideig sugároz az anyag, egyre gyengülő intenzitással. A foszforeszkáló anyag mintegy elraktároz valamennyi energiát a gerjesztő sugárzásból, s azt csak később bocsátja ki. A mindennapi életben egyes villanykapcsolókba kevernek bele foszforeszkáló anyagokat, s ezek a kapcsolók villanyoltás után még sokáig világítanak gyenge fénnyel, s így könnyebb őket megtalálni a sötétben.

A két jelenséget közös néven kemilumineszcenciának, rövidebben lumineszkálásnak nevezik. Foszforeszcenciáról általában nagy, szerves molekulák esetében beszélnek akkor, ha a két állapot közötti átmenethez legalább egy elektron perdületének (spinjének) meg kell fordulnia. Ez "magától" nem megy, ezért az ilyen átmenetet tiltottnak nevezik. Időbe telik, míg a molekula – külső segítséggel – mégiscsak kijátssza a tilalmat. Fluoreszcens átmenetnél ilyen akadály nincs, ezért ez valóban gyorsabb. Egyazon anyag – attól függően, milyen állapotai között történik a sugárzó átmenet – foszforenciára és fluoreszcenciára egyaránt képes lehet. Nem biztos támpont a gerjesztett állapot élettartama sem, hiszen például a higanygőz egyfajta (fluoreszcens) sugárzásánál a másodperc milliárdod részével, egy másik (foszforeszcens) sugárzásánál pedig tízmilliomod részével mérhető. Utóbbi valóban százszor hosszabb az előbbinél, de számunkra mindkettő pillanatszerűnek tűnik. A gerjesztésre nemcsak fényt, de például kémiai reakciót is használhatunk – ilyen elven működnek a kémiai lézerek. A kémiai reakció energiájával gerjesztett állapotból való fénykibocsátást nevezik kemilumineszcenciának – az elnevezés tehát a gerjesztés módjára, nem az állapotok közötti átmenet megjelölésére szolgál.

GÉNMANIPULÁLT LUMINESZCENS EGEREK

Tömeghiány: Az atommagot alkotó nukleonok tömegösszegének és az atommag tömegének a különbsége. A tapasztalat szerint az atommag tömege kisebb, mint a magot alkotó részecskék tömegének összege. A tömegdefektus az atom stabilitása mértékének tekinthető, ugyanis a tömeg energia ekvivalencia törvény értelmében a tömegdefektusnak megfelelő energiamennyiséget kell közölniük a maggal, hogy alkotórészeire bomoljon. A tömegdefektus egyenértékű a magnak nukleonokból való keletkezése alkalmával felszabadult energiával. Az atomenergia hasznosítása a atommag-átalakításnál a kiindulási és végtermékek tömegkülönbségének megfelelő magenergia hasznosítását jelenti.

A természetes radioaktivitás; az α, β és γ sugarak A természetes radioaktivitás jelensége 1896 Bequerel – uránsók vizsgálata → láthatatlan sugárzás Curie házaspár – radioaktív anyagok vizsgálata (polónium, rádium, tórium, aktínium, radon)

A radioaktivitás ( sugárzás) A radioaktivitás azt jelenti, hogy egy - valamilyen ok miatt - instabil izotóp valamilyen másik izotóppá alakul, miközben valamilyen sugárzás keletkezik. Az instabilitás oka mindig a "nem megfelelő" proton/neutron arány. Ez a bomlás mindaddig fennáll, amíg stabil izotóp nem alakul ki vagyis mindig új mag új elem keletkezik mely általában szintén radioaktív. Maga a sugárzás úgy képzelhető el, mintha nagyon apró "lövedékek sorozata" távozna az adott anyagból. Az, hogy a "lövedékek" mekkorák, milyen gyorsak, milyen gyakoriak, mekkora az energiájuk az adott izotópra jellemző. A "lövedékek" (az anyagból távozó részecskék) háromfélék lehetnek: α; β; γ ;

Radioaktív sugárzás A természetes radioaktív anyagok 3 féle sugárzást bocsájtanak ki: α - sugárzás: He++ ionok E ~ 4 – 9 MeV β - sugárzás: elektronok E ~ keV – MeV γ - sugárzás: nagy frekvenciájú elektromágneses sugárzás E ~ 0,01 – 4 MeV

Radioaktív sugárzás

Atommag felépítése Ahhoz hogy könnyebben megértsük a radioaktív sugárzást nézzük egy atommag felépítését.

α-sugárzás Az atomból bomlás hatására héliumatommagok távoznak nagy sebességgel.

α-sugárzás Az α-sugárzást alkotó alfa részecskék nagy energiájú héliumatommagok amelyek anyagban lefékeződve ( két elektron felvételével ) semleges héliumatommá alakulnak át. A részecskéknek nagy az ionizáló képességük ezért hamar elvesztik energiájukat. Levegőben akár 1 cm után is lefékeződnek.

α-sugárzás fajlagos töltése a proton töltésének fele töltése: eα=2e tömege: mα=4mH+ He++ ionok az α-részecskék sebessége a kibocsájtó anyagtól függ kinetikai energia:

β-sugárzás Az atomból Béta bomlás esetén közel fény sebességű elektronok távoznak.

β-sugárzás elektronokból áll bármilyen sebességet felvehet (relativisztikusat is → relativisztikus tömegnövekedés - Relativisztikus sebesség olyan sebesség, ami a fény sebességéhez annyira közel van, hogy annak tudományos analízise esetén figyelembe kell vennünk Einstein speciális relativitáselméletének befolyását)

β-bomlás Ha a rendszám 56-nál kisebb: Ha a rendszám 56-nál nagyobb: folyamatban bomlanak az atommagok. Bárium negatív β-bomlás pozitív β-bomlás

β-sugárzás A β-sugárzást nagy energiájú elektronok alkotják melyek az atomból kilépve közel fénysebességre gyorsulnak. Ionizáló képessége közepes ezért a sugárzás hosszabb úton fékeződik le és jobban áthatol az anyagon mint az α-sugárzás.

γ - sugárzás Gamma sugárzás során a röntgen sugárzásnál is nagyobb energiájú fotonok hagyják el a magot.

γ-sugárzás elektromágneses sugárzás γ-fotonokból/ γ-kvantumokból áll nagy frekvencia, kis hullámhossz energia: hullámhossz: frekvencia:

γ - sugárzás A γ – sugárzás igen rövid hullámhosszúságú elektromágneses hullám (amely nagy energiájú fotonok részecskesugárzásának is tekinthető). A legkevésbé ionizálódó hatású ezért nagy az áthatolóképessége. Csak több méter széles betonfal vagy több deciméter széles ólomlemez nyeli el.

A radioaktív sugarak kísérleti vizsgálata

Ionizációs kamrák részecskék megszámlálása pálya láthatóvá tétele dozimetria

Proporcionális számlálók ionizáló részecske → ionlavina ionlavina mérete arányos a primer ionizációval Proporcionális kamra:

Geiger-Müller-számláló (GM-cső) ionizáló részecske → ionlavina ionlavina mérete nem arányos a primer ionizációval, csak beütésszám

Szcintillációs számlálók Szcintillátor: ionizáló sugárzás → gerjesztés → foton ZnS, NaI, LiT, CsI

Félvezető detektorok ionizáló sugárzás → szabad töltéshordozók

Részecskenyom detektorok Expanziós ködkamra (Wilson-kamra) Diffúziós ködkamra Túltelített gőz, ez csapódik ki a gázionokra

Részecskenyom detektorok Magemulzió (~fényképezés) Buborékkamra (túlhevített folyadék) Szikrakamra Szilárdtest nyomdetektorok (sugárzás → maradandó változás)

A radioaktív sugarak abszorpciója és hatásai.

Radioaktív sugárzás hatásai Ionizáló hatás (a részecske közben elveszíti az energiáját) α-részecske 1 cm úton 104 – 105 ionpárt kelt → fajlagos ionizáció: 104 – 105 ionpár/cm β-részecske: több százszor kisebb γ-részecske: több tízezerszer kisebb Az ionizáló hatás függ a részecske energiájától.

Hatótávolság Levegőben (függ az energiától): α-részecske: < 1 cm β-részecske: néhány 10 cm

A sugárzás abszorpciója nagyobb ionizáló hatás → nagyobb abszorpció γ sugárzás (~ röntgensugárzás) β sugárzás: torzul a törvény α sugárzás: nem érvényes rá az exponenciális törvény, rövid távolságon belül elnyelődik

Dozimetria Cél: a sugárzás hatásának mérése A radioaktív anyagok aktivitása becquerel: másodpercenkénti bomlások száma Dózisfogalmak:

Biológiai hatás biológiai hatás: dózisegyenérték (sievert) H=DQY D: elnyert sugárzás (egység: gray) egységnyi tömegben elnyelt energiamennyiség Q: a sugárzás minőségi faktora β, γ → 1; α → 20 Y: besugárzott objektum (szerv) minőségi tényezője

A sugárzások élettani hatásai.

A radioaktív bomlás törvényszerűségei

A radioaktív bomlás bomlás: egy atommagból spontán módon, külső hatás nélkül különböző részecskék keletkeznek. Főbb bomlások: α-bomlás: ΔA = – 4; ΔZ = – 2 β-bomlás: ΔZ = +1 γ-bomlás: gerjesztett atommag alapállapotba kerül

A radioaktív bomlás Bomlási törvény N: bomlatlan atomok száma egy t időpillanatban – dN: időegység alatt elbomló atomok száma λ: bomlási állandó (1/λ: átlagos élettartam) – dN/dt: bomlási sebesség arányos a bomlatlan anyagok számával

A radioaktív bomlás Felezési idő Bomlási törvény másik alakja: az az idő, amíg a bomlatlan atomok száma a felére csökken Bomlási törvény másik alakja:

Bomlási sorozatok izotópok

Z N Nº de especies Impar 4 Par 50 55 165

IZOTÓPOK Izotópok Izobárok Izotónok Izomérek Olyan nuklidok, amelyek protonszáma megegyezik, neutronok száma viszont különbözik Z rendszám ugyanaz, különböző atomtömeg A Ej: 11H 21H és 31H Izobárok Olyan nuklidok, amelyek protonszáma különbözik, atomtömegszáma megegyezik Z rendszám különböző, atomtömeg A ugyanaz Ej: 146C és 147N Izotónok Olyan nuklidok, amelyek protonszáma különbözik neutronok száma viszont megegyezik Z rendszám különböző, különböző atomtömeg A Ej: 136C és 147N Izomérek Olyan nuklidok, amelyek protonszáma és neutronok száma megegyezik, de különböző energiaszintjei vannak Z rendszám ugyanaz, atomtömeg A ugyanza Ej: 99m43Tc és 9943Tc

Bomlási sorozatok radioaktív anyag bomlása → a keletkező atomok nem mindig stabilak, tovább bomlanak a nagy rendszámú (Z>80) természetes radioaktív anyagok 4 bomlási sorozatba rendezhetők

Urán-sorozat (urán-rádium) Leghosszabb felezési idejű atommag felezési ideje: 4,47*109 év

Aktinium-sorozat Leghosszabb felezési idejű atommag felezési ideje: 7,04*108 év

Tórium-sorozat Leghosszabb felezési idejű atommag felezési ideje: 1,41*1010 év

Neptúnium-sorozat Leghosszabb felezési idejű atommag felezési ideje: 2,14*106 év már elbomlottak

Izotópok Egy adott, Z rendszámú elem izotópjai kémiailag csaknem azonos viselkedés azonos rendszám különböző tömegszám (atomsúly) Pl. bomlási sorozatok végterméke: ólom (Pb) stabil: 206, 207, 208 radioaktív: 210, 214, …

Az atommagok tömege tömegspektroszkópia.

Thomson-féle parabolamódszer ionforrás + mágneses tér + elektromos tér az azonos e/m hányadossal rendelkező, de különböző v sebességű részecskék egy parabolaív mentén csapódnak be

Thomson-féle parabolamódszer Ne-ionsugarak → két parabolát kaptak relatív atomtömeg: 20 22

Tömegspektroszkópia Tömegspektroszkóp: a különböző e/m hányadosú ionok megkülönböztetése, az ionok számarányának meghatározása Tömegspektrométer: a megfelelő ionáramok mérése is sorra kerül Felbontóképesség: F=m/Δm ahol Δm a legkisebb megállapítható tömegkülönbség

Tömegspektrométerek

Izotópokra vonatkozó legfontosabb eredmények A kémiai elemek nagy része izotópok keveréke, egy adott keverékelemben az izotópok aránya általában állandó Az izotópok atomtömegei jó közelítéssel egész számok ~ 50 stabil, 250 természetes radioaktív valamint több mint 1000 mesterséges izotóp ismert

Források Hevesi Imre, Szatmári Sándor: Bevezetés az atomfizikába, JATEPress, Szeged 2002 Budó Á.: Kísérleti fizika III., Tankönyvkiadó, Budapest, 1970. Kiss Dezső, Horváth Ákos, Kiss Ádám: Kísérleti Atomfizika, ELTE Eötvös Kiadó, Budapest, 1998 http://en.wikipedia.org/ http://www.prohaszka.gyor.hu/uploads/temp/docs/Fizika%20mk/Atommagfizika.pdf http://www.sura.org/home/index.html http://antiquescientifica.com/archive47.htm http://www.worldsfamousphotos.com/first-x-ray-1896.html http://www.sciencepunk.com http://www.rmutphysics.com http://www.bmb.leeds.ac.uk/teaching/icu3/practic/comp/index.htm http://www.moneduloides.com/the-beauty-of-science-lennart-nilsson-award/ http://hu.wikipedia.org/wiki/Komputertomogr%C3%A1fia http://www.uni-miskolc.hu/~www_fiz/modern1/04.htm http://www.temperatures.com/opyro.html http://homepage.mac.com/dtrapp/eChem.f/labP17-Luminescence.html http://www.invocom.et.put.poznan.pl/~invocom/C/P1-9/swiatlowody_en/p1-1_6_2.htm http://sknjpr.wordpress.com/2008/05/16/laser/ http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/lassol.html http://library.thinkquest.org/28383/nowe_teksty/htmla/2_27a.html http://www.cameco.com/uranium_101/uranium_science/radiation/ http://ion.elte.hu/~pappboti/radioaktivitas/cimlap/tematika/radioakt/dozis/index.htm http://www.pha.jhu.edu/~dfehling/ http://ion.elte.hu/~pappboti/radioaktivitas/cimlap/tematika/radioakt/ionizalosugarzas/detektorok.htm http://www.physics.umd.edu/lecdem/honr228q/notes/notesl.htm http://www.fizyka.umk.pl/modern/html/spekmas-en.html http://iramis.cea.fr/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_visu.php?id_ast=719 http://www.physics.sjsu.edu/becker/physics51/mag_field.htm http://www.onafarawayday.com/Radiogenic/Ch2/Ch2-2.htm http://www.answers.com/topic/accelerator-mass-spectrometry