Mindent a radioaktivitásról

1. A radioaktivitásról… Mindent a radioaktivitásról Bomlások Feladatok Készítette:

2. A radioaktivitásról… 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. A radioaktív sugárzást Henri Becquerel (1852– 1908) francia fizikus fedezte fel 1896-ban. Becquerel különböző ásványok fluoreszkálását (megvilágítás utáni saját fénykibocsátását) vizsgálta. Megfigyelte, hogy az elzárt helyen tartott uránszurokérc nyomot hagyott az alatta lévő fényérzékeny lemezen, holott előtte külső napsugárzás nem érte az ércet. Ebből arra következtetett, hogy az uránvegyületek láthatatlan sugárzást bocsátanak ki anélkül, hogy külső megvilágítás érte volna előzőleg azokat. A Marie Curie (1867–1934), Pierre Curie (1859–1906) francia fizikus házaspárnak 1898-ban sikerült további radioaktív elemeket* kémiailag elválasztani más elemektől. Ennek során fedezték fel a rádiumot és a polóniumot. A rádiumot a sugárzás szóról, a polóniumot pedig Marie Curie szülőhazájáról, Lengyelországról nevezték el Rutherford és más fizikusok a radioaktív sugárzások tulajdonságait vizsgálták. Az elektromos és mágneses mezőben való eltérülés alapján kétfajta töltéssel rendelkező sugárzást észleltek. Az egyik a pozitív töltésű α-sugárzás*, a másik a negatív töltésű   β-sugárzás*. A sugárzások harmadik komponense, a γ-sugárzás* nem térül el sem elektromos, sem pedig mágneses mezőben. Főoldal • Oldal

3. A radioaktivitásról… A RADIOAKTÍV SUGÁRZÁS FAJTÁI ÉS LEGFONTOSABB TULAJDONSÁGAI Kísérletek alapján kimutatták, hogy — Az α sugárzást alkotó részecskék nagy energiájú héliumatommagok. Ezek az anyagban lefékeződve – két eletron felvételével – semleges héliumatommá alakulnak át. — A β sugárzást nagy energiájú elektronok alkotják. — A γ sugárzásról kiderült, hogy az igen rövid hullámhosszúságú elektromágneses hullám(amely nagy ener-giájú fotonok részecskesugárzásának is tekinthető). A radioaktív sugárzások kísérleti tanulmányozása során a sugárzások alábbi lényeges tulajdonságait ismerték fel: Az α-részek 0,8-1,2 pJenergiávalrendelkeznek, sebességük 107ms nagyságrendű. A részecskéknek nagy az ionizáló képességük, ezértrövid úthosszon elveszítik energiájukat.Levegőben néhány cm, szilárd és folyékony anyagokban 0,1 mm-nél is rövidebb úton lefékeződnek. A β-részek, vagyis az elektronok energiája tág határok között változhat (a fJ–pJ tartományban), sebessé-gük 108ms nagyságrendű, megközelítheti a fénysebességet is. A sugárzás ionizálóképessége közepes, ezért a sugárzás az anyagban hosszabb úton fékeződik le. Így a β-sugárzás az anyagon jobban áthatol, mint az α sugárzás. A legkevésbé ionizáló hatású a γ sugárzás,ezért nagy az áthatolóképessége. Csak vastag (több dm) ólomle-mez vagy több méter vastagságú betonfal nyeli el a γ sugarakat. Főoldal 2. Oldal

4. A radioaktivitásról… A kísérletekből kiderült, hogy a radioaktív sugárzások az atommagból indulnak ki. Erre utalnak a szokatlanul nagy részecskeenergiák is. Rutherford elsőként állapította meg, hogy a sugárzó elemek atommagjai a részecskekibocsátásakor átala-kulnak: új mag, új elem keletkezik. Az új elem általában szintén radioaktív. Mivel a radioaktív sugárzás az atommagok elbomlásából származik, ezért szokás röviden radioaktív bomlás-ról beszélni. Főoldal 3. Oldal

5. Bomlások Egy adott mennyiségű radioaktív elem aktivitása megmutatja, hogy az elem atommagjai közül másodpercenként hány bomlik el. Az aktivitás jele: A, egysége: 1s. Az egységet becquerelnek*nevezzük (Henri Becquerel, a radioaktivitás felfedezőjének tiszteletére). Jele: Bq. Az aktivitás értékét úgy kaphatjuk meg, ha az elbomlott atommagok ΔN számát elosztjuk a közben eltelt Δt idővel: 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. Főoldal • Oldal

6. Bomlás típusok: Alfa bomlás: Az alfa-bomlás az atommagbomlások egyik fajtája, melynek során alfa-részecske szabadul ki az atommagból. Az alfa-részecske a hélium leggyakoribb izotópjának, a hélium-4 izotópnak az atommagja, rendkívül stabil atommag. Mivel az alfa-részecske két protonból és két neutronból áll, az atommag tömegszáma 4-gyel, rendszáma kettővel csökken alfa-bomlás során. Béta bomlás: A β-bomlás a spontán atommag-átalakulások egyik fajtáját jelenti, mely a gyenge kölcsönhatás eredménye. Három fajtája van. Ezek közül kettő β-részecske (elektron, ill. pozitron) kibocsátásával jár, s egyúttal egy elektron-antineutrínó, ill. egy elektronneutrínó is keletkezik. A harmadik az elektronbefogás (EC: electroncapture), ahol is csak egy elektronneutrínó távozik a magból. Gamma bontás: A gamma-sugárzás nagyfrekvenciájú elektromágneses hullámokból (1019 Hz, 30-50 keV felett, illetve 20-30 pikométer hullámhossz alatt) álló sugárzás, mely a gerjesztett atommagok alacsonyabban fekvő állapotba történő átmenetekor, az úgynevezett gamma-bomláskor is keletkezik. Ez a bomlás sok esetben kíséri az alfa- és béta-bomlást, valamint a magreakciókat. Jelentkezik egy bizonyos átfedés a röntgen- és a gamma-sugarak között: a röntgensugarak egészen a 60-80 keV-os tartományig terjedhetnek. A gamma-sugarak (mint minden más ionizáló sugárzás) előidézhetnek égési sebeket, rákot és genetikai mutációkat. A gamma-sugarak elleni védekezés nagy atomtömegű és sűrűségű elemekkel a leghatásosabb. Erre a célra általában az ólmot használják. De például a reaktorok aktív zónáját több méter vastag nehézbeton fallal veszik körül, ami egy magas kristályvíztartalmú, nehézfémmel, például báriummal (barit) adalékolt beton. Minél nagyobb energiájú a gamma-sugárzás, annál vastagabb réteg szükséges a védekezéshez. Főoldal 2. Oldal

7. Feladatok • A 238U-, 226Ra-, 222Rn-izotópok alfa-sugárzók. Milyen új elemek keletkeznek a bomláskor? (Használjuk a periódusos rendszert.) • A szén egyik radioaktív izotópja a b-sugárzó 14C. Milyen új elem keletkezik az izotóp bomlásakor? • A 235U-izotóp alfa-bomlással tóriummá alakul át. Mekkora lehet a felszabaduló magenergia, ha az urán kötési energiája 285,8 pJ, az új atommagé 282,5 pJ, a héliumatommagé pedig 4,53 pJ? • Az aktivitás fizikai mennyiségének korábbi egysége a curie (Ci) volt (melyet a Curie házaspár tiszteletére neveztek el). Ez megfelelt 1 g tömegű rádium aktivitásának. a) Határozzuk meg, hogy az 1 Ci egység hány becquerelnek (1s) felel meg! (A rádium tömegszáma 226, felezési ideje 1600 év.) b) Mennyi lenne az aktivitása a 100 évvel ezelőtt elkülönített 1 g tömegű rádiumnak ma? c) Mennyi 1 g rádium sugárzási teljesítménye? (Az alfa-részek energiája 0,7 pJ.) d) Mennyi energiát ad le az 1 g tömegű elkülönített rádium 100 év alatt? Főoldal • Oldal

8. Feladatok • A csernobili reaktorbaleset során radioaktív 131I-izotóp került Magyarország légterébe. A levegőben a jód aktivitá-sa átlagosan 1–10 Bq volt köbméterenként. Az izotóp felezési ideje 8 nap. a) Mekkora lehetett a köbméterenkénti aktivitás 32 nap elteltével? b) Legfeljebb mennyi ideig kellett várni, amire a jód aktivitása kisebb lett a kezdeti érték 1%-ánál? • Alulról rosszul szigetelt régi lakásokban a földből felszivárgó radioaktív radon található. Ennek aktivitása elérheti az egészségre már nem veszélytelen 1000 Bq-t is köbméterenként a lakás légterében. A szigetelés megjavítása után (nem szellőztetve) mennyi idő múlva várható, hogy az aktivitás értéke a már elfogadható köbméterenkénti 100 Bq-re csökken le? (A radon felezési ideje 3,85 nap.) • A Curie házaspár körülbelül száz évvel ezelőtt fedezte fel a rádiumot, miután kémiai úton kivonták az uránszurok-ércből. a) Becsüljük meg, hogy az így nyert rádium hány százalékát találnánk most meg, ha a rádiumot megőrizték vol-na! A rádium felezési ideje 1600 év. b) Mennyi idő múlva csökken ugyanilyen arányban az elkülönített rádium mennyisége? Főoldal 2. Oldal

9. Készítette: Palkovics Péter http://radonpetya.webnode.hu/ Főoldal