A természetes radioaktív sugárzások

Az előadások a következő témára: "A természetes radioaktív sugárzások"— Előadás másolata:

1 A természetes radioaktív sugárzások
R A D I O A K T I V I T Á S A természetes radioaktív sugárzások

2 Az atommag felépítése Az atom igen kis (kb m) átmérőjű atommagból, és az azt körülvevő, a magnál szer nagyobb (kb m átmérőjű) elektronfelhőből áll. A mag alkotóelemei a pozitív elektromos töltésű protonok, és a töltés nélküli neutronok. A proton és a neutron tömege csaknem ugyanakkora, míg az elektron tömege csak 1/1836-od része a protonénak. Ezért az atom teljes tömegében az elektronok járuléka el is hanyagolható.

3 Az adott elem rendszáma alatt a magban lévő protonok számát értjük
Az adott elem rendszáma alatt a magban lévő protonok számát értjük. Az urán rendszáma pl. 92. A rendszámot a vegyjel bal alsó sarkába írjuk. Az atom tömegszáma a magban lévő protonok és neutronok összes száma. A tömegszámot a vegyjel bal felső sarkában jelöljük.

4 Adott rendszámú atommagban azonban a neutronok száma többféle is lehet
Adott rendszámú atommagban azonban a neutronok száma többféle is lehet. Az ilyen, azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atommagokat nevezzük izotópoknak. Például a hidrogénnek a természetben három izotópja létezik. A természetes urán két izotóp keveréke: U-238 (99.3%) és U-235 (0.7%).

5 A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik
A ma ismert 112 elemnek több, mint 2500 izotópja létezik. Ezek közül 249 stabil, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. A kis rendszámú (kb. a 20-as rendszámú Ca-ig) stabil atommagokban a protonok és neutronok száma megegyezik, a nagyobb rendszámú magokban viszont a neutronok vannak többségben.

6 A következőkben bemutatjuk a legfontosabb magreakciókat.
A természetes radioaktív sugárzások A következőkben bemutatjuk a legfontosabb magreakciókat. Fontos tudnunk, hogy ha egy ilyen reakcióban megváltozik az anyag rendszáma (vagyis a protonszám), akkor új elem jön létre. Ezzel szemben, ha a rendszám nem változik meg, hanem csak a tömegszám (azaz csak a neutronok száma), akkor a kiindulási elem egy másik izotópja jön létre.

7 Az alfa-sugárzás Az alfa-sugárzás során az atommagot alfa-részecskék (2 protonból és két neutronból álló héliummagok) hagyják el igen nagy sebességgel ( km/s-mal). Az atom rendszáma tehát a bomlás során kettővel, tömegszáma néggyel csökken. A 88-as rendszámú rádium 226-os izotópja alfa-részecske (azaz He-mag) kibocsátásával a 86-os rendszámú radon 222-es izotópjává alakul.

8 A héliummagok a környezetből felvehetnek két elektront, így He-atom keletkezik. (Alfa-bomló izotópok környezetében ezért héliumgáz jöhet létre.) Az alfa-sugárzás igen rövid hatótávolságú, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága néhány mm, emiatt igazán csak akkor veszélyes, ha véletlenül lenyelünk, vagy belélegzünk egy alfa-sugárzó izotópot.

9 A béta-sugárzás Béta-sugárzás esetén az atommagból (nem az elektronburokból!) kiszabadul egy elektron, vagy egy ugyanolyan tömegű, de pozitív töltésű pozitron. Az előbbi az ún. negatív, az utóbbi a pozitív béta-bomlás.

10 Negatív béta-bomlásnál a magban egy neutron protonná alakul egy elektron kilépése mellett. Az atom rendszáma ezek szerint 1-gyel nő, tömegszáma azonban változatlan marad. Az 55-ös rendszámú cézium 137-es izotópja negatív béta-bomlással 56-os rendszámú báriummá alakul.

11 Pozitív béta-bomlásnál egy neutron keletkezik egy protonból, pozitron létrejötte mellett. A rendszám 1-gyel csökken, a tömegszám itt is változatlan marad. A 11-es rendszámú nátrium 22-es izotópja pozitív béta-bomlással 10-es rendszámú neonná alakul.

12 A kilépő részecskék energiája nulla és egy adott maximum között akármekkora lehet. Az elektron áthatolóképessége nagyobb az alfa-részecskéénél, de pl. egy vékony alumíniumlemezen már csak alig juthat át.

13 Ha az atommagban túl sok neutron van, negatív béta-bomlás fog bekövetkezni,
ha pedig túl kevés, pozitív béta-bomlás.

14 Béta-bomlásnál ezenkívül egy elektromos töltés nélküli, nagyon kis tömegű részecske is kilép: neutron keletkezésekor egy neutrínó, proton keletkezésekor egy antineutrínó. Szalay Sándor 1954-ben, Debrecenben készíti el Csikai Gyulával a világhírűvé vált ködkamra felvételét, amellyel a neutrinó létére lehetett következtetni. A neutrinó kimutatását a hiányzó impulzus árulja el a felvételen. A fehér nyíl irányába távozik a nyomot nem hagyó neutrinó. A mérést nagyon megnehezítette, hogy a héliumizotóp rendkívül ritka és nagyon bomlékony. Az előállítását és a mérést egyszerre kellett elvégezni.

15 Mivel a neutrínó és az antineutrínó alig lép kölcsönhatásba az anyaggal, áthatolóképességük igen nagy, ezért nagyon nehéz kimutatni őket.

16 A gamma-sugárzás a látható fényhez hasonló elektromágneses sugárzás, csak jóval nagyobb az energiája.

17 A gamma-sugárzás során nem változik sem a rendszám, sem a tömegszám, csak a mag energiája.
Az 56-os rendszámú bárium gerjesztett állapotú (ezt jelöli az "m" index) 137-es izotópja a felesleges energiát gamma-sugárzás formájában adja le.

18 Gamma-sugárzás akkor jön létre, amikor az atom valamilyen bomlás után még gerjesztett állapotban van, és ezt egy vagy több "adagban", gamma-sugárzás (gamma-kvantumok, gamma-fotonok) formájában adja le.

19 A gamma-fotonok sebessége állandó: 299 792 km/s, azaz megegyezik a vákuumbeli fénysebességgel.
A gamma-sugárzás áthatolóképessége igen nagy, ionizáló képessége azonban kicsi.

20 Sugárzásmérő eszközök
R A D I O A K T I V I T Á S Sugárzásmérő eszközök

21 A sugárzás és az anyag kölcsönhatása
Ez a kölcsönhatás elsősorban az atomok és molekulák ionizálásában nyilvánul meg, a többi hatás (pl. melegítés) elhanyagolható. A nagy energiájú α-,β-,és γ- részecskék valamilyen anyaggal találkozva elektronokat szakítanak ki annak atomjaiból, molekuláiból, miközben ők lefékeződnek,

22 A lefékeződött radioaktív részecskék további változásokat már nem hoznak létre . α β γ
elektronokat befogva héliummá alakulnak befogódnak az ionokba elnyelődnek Az anyag stabil atomjai nem válnak radioaktívvá!!!

23 A radioaktív sugárzások kimutatása, mérése
A radioaktív sugárzások érzékszerveinkkel közvetlenül nem érzékelhetőek. A sugárzások kimutatására használt eszközök működése általában azok ionizáló hatásán alapul (dekektorok).

24 Az első megfigyelőeszközök a ködkamrák voltak:
C. T. R. Wilson ( ) skót fizikus 1912-ben szerkesztette meg az első ködkamrát, amiért 1927-ben megosztott Nobel-díjat kapott.

25 Expanziós ködkamra (Wilson-kamra):
A ködkamrában a levegőt alkalmas folyadék gőzével telítik. Méréskor a levegőt egy dugattyú segítségével hirtelen kitágítják, minek hatására az lehűl, így túltelítetté válik. Ha egy gáz és gőz keverékkel töltött edényben túltelítettséget hozunk létre a gőz kicsapódik a gázionokra, majd a kicsapódott ködcseppek tovább növekednek, és láthatóvá válnak. Ha a kamrában töltött részecske halad át, a pályája mentén létrejött ionokon indul meg a ködképződés.

26 Diffúziós ködkamra : A nyomok itt is gőz és gázkeveréken alakulnak ki. A túltelített állapot eléréséhez a kamrában nagy hőmérséklet-különbséget tartanak fenn. A párologtatás a felső meleg zónában történik. A meleg alkohol gőz (etil-alkohol, metil-alkohol) lefelé, a hideg (szárazjéggel hűtött) térrészbe áramlik és a kamra érzékeny tartományába jut (1-2 cm), ahol a részecskenyomon kicsapódik. A kamrában olyan zóna alakul ki, amely a részecskenyomok jelzésére mindig készen áll.

27 Diffúziós ködkamra : A

28 A buborékkamra olyan folyadékkal van töltve, amelyet normál nyomáson könnyű a forráspont fölé hevíteni. Amíg a kamra nem üzemel, a folyadék túlnyomás alatt van, így nem jöhet forrásba. Ha egy részecskenyomot kell regisztrálni a nyomást rövid időre hirtelen lecsökkentik. A forrás a részecskenyom mentén keletkezett ionoknál indul meg. A részecske áthaladása után a nyomást ismét növelik, hogy az egész térfogatra kiterjedő forrást megakadályozzák. A részecskenyom mentén keletkezett buborékokat lefényképezik. A buborékkamra előnye, hogy nagyszámú eseményt detektál és megfelelő mágneses tér alkalmazásával a részecskék impulzusa is meghatározható. Buborékkamra:

29 Buborékkamra:

30 Gáztöltésű számlálók:
A legelterjedtebb gáztöltésű számláló eszköz a Geiger-Müller-számláló, röviden G-M-cső. Ez egy fémből, vagy üvegből készült gázzal töltött cső, amelyben a két elektróda között a részecskék ionizáló hatására elektromos áramimpulzusok keletkeznek, amelyek megszámlálhatóak.

31 G-M - cső

32 Doziméterek: Az anyagban elnyelt sugárzási energia mérérsére szolgálnak. Egyik fajtájuk az úgynevezett nyomdetektor.