Az atomenergia


Az atommag és a radioaktivitás

Az atommag

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

Jellemzői:

Izotópok:

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

 

5. táblázat. Néhány elem izotóparánya

 

1H 99,986 16O 99,759 12C 98,892 54Fe 5,81
2H 0,14 17O 0,0374 13C 1,108 56Fe 91,64
3H 10-10 18O 0,2036 14C 10-10 57Fe 2,21
            58Fe 0,34
6Li 7,3 35Cl 75,4 14N 99,635    
7Li 92,7 37Cl 24,6 15N 0,365 63Cu

68,94

 

 

Az atomok stabilitása

Általánosságban elmondható, hogy a 83-as rendszámú elemnél kisebbek rendelkeznek stabil atommaggal, míg a nagyobbak nem.

                                                    Stabil  20983Bi    Instabil

 

15. ábra. A protonok és neutronok száma a kis rendszámú elemek izotópjaiban, és atommagjaik stabilizálódásának lehetőségei

Forrás: http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch23/modes.html

 

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.).

 

16. ábra. A radioaktív sugárzás elhajlása elektromágneses térben

 

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

                                                    α = 42He2+

ß-sugárzás: a fénysebességet megközelítő sebességgel (100 000-300 000 km/sec) haladó elektronokból áll, amelyek: γ-sugárzás: nem korpuszkuláris jellegű, hanem fény természetű elektromágneses sugárzás, amelynek:

   Diaképek az előadásról

Forrás: http://www.npp.hu

 

A radioaktív sugárzás hatásai

Kémiai

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

Biológiai (élettani)

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

 

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° ˇ 10-0,4343 kˇt 

                                              N = N° ˇ e-k ˇ 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 izotópok Felezési idő
232Th       1,4*1010 év
238U      4,5*109 év
235U      7,2*199 év
40K     1,3*109év
115In     6*1014 év
216Po 0,158 s
214Po     1,6*10-4 s
212Po  3*10-7 s

 

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 sorozat neve

Tömegszám

A

Sorozatindító izotóp Felezési idő Végtermék
    Tórium

           3n

  232Th  1,4*1010 208Pb
    Neptúnium 4n+1   237Np 2,2*106 209Pb
    Urán-rádium 4n+2 238U 4,5*109 206Pb

    Urán-aktínium

4n+3 235U 7,2*103 207Pb

 

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

 

ezért a nagy bomlási állandójú izotóp nem halmozódhat fel.

 KA >> KB   Þ  NA << NB 

 

Atommagreakciók

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. 2ˇ10-5 a/mag) következnek be (19. ábra).

 

 

 

19. ábra. folyamat ködképe

 

 

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.)