Az atommag és a radioaktivitás

Az atommag

Az atom magját felépítő alapvető részecskéket (proton, neutron) nukleonoknak nevezzük.

Jellemzői:

• rendszám (Z),
• tömegszám (A) ,  (1ATE=¹²C/12),

               N = A - Z (a neutronok száma),

A legtöbb elemnek több izotópja van, azaz azonos rendszámú, de eltérő tömegszámú atomja ismeretes (5. táblázat).

Az atomok stabilitása

Stabil, ha n ~ p⁺, instabil, ha n_>^<p⁺ .

A stabilizálódás bekövetkezhet:

• ß^-- bomlással (n > p⁺)   n → p⁺ + ß^- + _v ^~

Ha anyaelem Z Þ leányelem Z + 1

Izobár elemek képződnek (A₁ = A₂ )
³₁H  →  ³₂H+ ⁰_-1e

• ß¹-bomlással, (n < p¹) p¹  →  n + ß¹ + v

Ha anyaelem Z Þ leányelem Z - 1
     ß⁺ + ß →   y

      ¹¹₆C → ¹¹₅B + ⁰₊₁e

• e^--befogással, (fordított ß⁺ - bomlás) p⁺ + e^- →  n + v
                          ⁵⁴₂₅Mn + ⁰_-1e →   ⁵⁴₂₄Cr
• α-bomlással, (Z nagy) →   ⁴₂He(mag)
             Ha anyaelem Z  Þ  leányelem Z - 2.
                   ²³⁸₉₂U →    ²³⁴₉₀Th + ⁴₂He

                                                    Stabil ←  ²⁰⁹₈₃Bi →   Instabil

Az instabil atommagoknak azt a tulajdonságát, hogy külső behatás nélkül, sugárzás kibocsátása közben más rendszámú maggá alakulnak, radioaktivitásnak nevezzük.

A radioaktív sugárzás története

1896-ban H. Becquerel francia fizikus az uránásványok lumineszcenciáját vizsgálva meglepetten észlelte, hogy az uránvegyületek a röntgensugárzáshoz hasonló hatású sugárzást bocsátanak ki, kisütik a feltöltött elektroszkópot, és a sugárzás megvilágítástól vagy más külső hatástól függetlenül mindig jelentkezik. A jelenséget, amely mindig uránvegyületre jellemző volt, Becquerel radioaktivitásnak nevezte. Marie Curie-Sklodowska és férje, Pierre Curie vizsgálni kezdték a különböző ásványok sugárzóképességét. Felfedezték, hogy az uránvegyületeken kívül a tóriumásványok is sugároznak. Az uránszurokérc [urán-dioxid (UO₂)-tartalmú ásvány] a tiszta uránvegyületeknél erősebb radioaktivitást mutatott. A Curie házaspár a vizsgált ásványokból két új radioaktív elemet különített el, az egyik Lengyelországról polóniumnak, a másik erős sugárzó tulajdonsága alapján rádiumnak lett elnevezve. Munkájukért Becquerellel közösen 1903-ban fizikai Nobel-díjat kaptak.

A sugárzás jellemzői

A Curie házaspár és Rutherford eredményei azt mutatták, hogy a sugárzás három komponensre bontható. Az α- és ß-bomlást rendszerint rövid hullámhosszú elektromágneses sugárzás, ún. γ-sugárzás kíséri (16. ábra.).

α-sugárzás: korpuszkuláris természetű, benne olyan részecskék (ún. α-részecskék) haladnak, amelyek:

• tömege 4 atomtömegegység,
• töltése pozitív, értéke az elektron töltésének a kétszerese,
• kezdősebessége (v) 14 000-22 000 km/sec, és függ attól, milyen radioaktív elemből származik,
• áthatolóképessége aránylag kicsiny, néhány cm vastag levegőréteg, vagy 0,05 mm vastag alumíniumlemez már teljesen elnyeli,
• hatótávolsága (levegőben való teljes elnyelődése) értéke 2,5-8,6 cm között mozog és jellemző arra a radioaktív elemre, amelyből a          sugárzás származik,
• kinetikus energiája igen nagy (4-9 MeV), a hatótávolsággal arányos.

                                                    α = ⁴₂He²⁺

• áthatolóképessége (a nagy sebesség és a kis tömeg következtében), az α-sugarakénál lényegesen nagyobb. Még 1-2 m-es levegőréteg, vagy 5 mm vastag alumíniumréteg sem nyeli el teljesen,
• hatótávolsága nem egységes,
• kinetikus energiája (a kicsi tömeg miatt), az α-részecskénél általában lényegesen kisebb (0,05 - 5 MeV).
ß^- = e^-

• hullámhossza: 0,1 Ä-nél (1 nm-nél) rövidebb,

• frekvenciája és energiája a legerősebb energiájú röntgensugarakénál is nagyobb (MeV) nagyságrendű. Energiájára azon elektronok energiájából lehet következtetni, amelyek gerjesztés hatására, a különböző anyagokból eltávoznak.

• áthatoló képessége igen nagy. Több cm vastag alumíniumlemez és 10 m vastag levegőréteg sem nyeli el teljesen.

   Diaképek az előadásról

Forrás: http://www.npp.hu

A radioaktív sugárzás hatásai

Kémiai

A nagy energiájú sugárzás gerjeszti a molekulákat, elősegítve bizonyos reakciók lejátszódását.

O₂ → O₃

H₂O  →   H₂+O₂
        æ  H₂O₂

AgBr →  Ag

 

Elsősorban a kémiai hatásra, azaz az élő szervezetek normális működéséhez szükséges kémiai kötések felbomlására, esetleg újak kialakulására vezethető vissza. (Pl. szövetelhalás vagy elváltozás, terméketlenség, öröklődési rendellenességek, stb.)

Fizikai

• Ionizáló hatás: az alfa- és ß-sugárzás ionpárok sorozatát hozza létre. A γ-sugárzás csak gyenge ionizációt okoz.
• Lumineszcencia: bizonyos anyagok atomjai a sugárzás részecskéivel (alfa) ütközve gerjesztődnek, és az így felvett energiát fény formájában kisugározzák.
• Hőhatás: a radioaktív sugarak energiája elnyelődés közben a közeg hőenergiájává alakul.

A radioaktív bomlások időbeli lefolyása

A bomlási sebesség mindig arányos a még el nem bomlott magok számával (N):

          (Aktivitás) 

A t idő elteltével megmaradt magok száma:

                                              N = N_° · 10^{-0,4343 k·t} 

                                              N = N_° · e^{-k · t} 

 ahol k a bomlási állandó.

A bomlás sebességére jellemző a felezési idő (6. táblázat), amely alatt a kezdeti részecskeszám a felére csökken.  (A magok száma exponenciálisan csökken.)                     

t1/2 =  ln2/k                    N = N₀/2

6. táblázat. Néhány radioaktív izotóp felezési ideje

Radioaktív bomlási sorok

A  radioaktív bomlás útján egymásból keletkező izotópok, radioaktív bomlási sorokat alkotnak (7. táblázat).

A tórium sorozat

7. táblázat. Radioaktív bomlási sorok

A különböző atomfajták relatív mennyisége fordítottan arányos a bomlási állandók arányával,

ezért a nagy bomlási állandójú izotóp nem halmozódhat fel.

 K_A >> K_B   Þ  N_A << N_B 

Azokat a reakciókat, amelyek az atommagok átalakulásával járnak, atommag-reakcióknak, röviden magreakcióknak nevezzük. Az átalakulás ún. magkémiai egyenlettel fejezhető ki:

Magreakciókkal lehetségesek az elem-átalakítások. Az ilyen reakciók csak igen ritkán (pl. 2·10^-5 a/mag) következnek be (19. ábra).

Mesterséges radioaktivitás

A magreakciók legtöbbször radioaktív izotópokat eredményeznek.

A radioaktív izotópok felhasználása

Felhasználásuk alapvetően két tulajdonságuknak köszönhető:

a. A sugarak nagy energiája

b. Könnyű kimutathatóság

Felhasználási területek:

a. Gyógyászat

b. Fertőtlenítés

c. Tartósítás

d. Indikáció (nyomjelzés)

(A radioaktív izotópok keletkezése állandó sugárveszélyt jelent! A munkavédelmi szabályokban meghatározott szigorú előírások betartása mindenkor kötelező.)