radioaktivitás

1. radioaktivitás Készítette Varga István VEGYÉSZETI-ÉLELMISZERIPARI KÖZÉPISKOLA CSÓKA

2. A XIX. század folyamán a vegyészek és fizikusok egyre inkább elfogadták az atomok létezését. • Az első lépést 1803-ban John Daltontette meg - ő a kémiai elemek és vegyületek tulajdonságai alapján átfogalmazta a görög filozófusok atomhipotézisét. • Az atomszerkezet-kutatás csak évtizedek múltán, az időközben összegyűlt tapasztalati anyag hatására indult rohamos fejlődésnek. • E tapasztalati anyagot két nagy jelenségcsoport, a radioaktivitás és a színképek szolgáltatták.

3. TERMÉSZETES RADIOAKTIVITÁS

4. A radioaktivitás felfedezésére érdekes véletlen vezetett. 1896-ban Henri Becquerela lumineszcencia jelenségét tanulmányozta. • Kísérleti módszere az volt, hogy a vizsgált anyagot megvilágítás után fekete papírba burkolt fényképezőlemezre helyezte, és a lemez feketedéséből következtetett a kisugárzott fény természetére.

5. Megfigyelte, hogy az uránszurokérc akkor is előidézte a lemez feketedést, ha előzőleg nem világította azt meg. • Marie Curie-Sklodowska a férjével Pierre Curie-vel úgy döntött, hogy tanulmányozni fogja a Becquerel-sugárzást. • A feketedést okozó spontán sugárzás természetét és okát kutatva 1898-ban az uránszurokércből (urán-dioxid (UO2)- tartalmú ásvány) két új elemet, a rádiumot és a polóniumot sikerült előállítaniuk, amelyek sugárzása sokkal erőteljesebb volt mint az uránszurokérc sugárzása. • 2,8 tonna természetes uránban kb. 1 gramm rádium van.

6. Ezek a kísérletek csakhamar felfedték a radioaktív sugárzás természetét. • Összetett és külsőleg nem befolyásolható. • Erőssége nem változik függetlenül attól, hogy nagy hőmérsékleten tartjuk a radioaktív anyagot, vagy mélyhűtést alkalmazunk. • Nincs rá hatással az elektromos vagy mágneses tér, a nagy nyomás és a vákuum sem. • Független attól is, hogy milyen halmazállapotban van jelen a radioaktív anyag. • A sugárzás kizárólag az elem atommagjából származik.

7. A másik fontos felismerés, hogy a sugárzást nem befolyásolja az, hogy az anyag tiszta elem, vagy valamely más elemmel alkot vegyületet.

8. Definíció: Radioaktivitásnak nevezzük az atommagok spontán átalakulását, amely általában gyorsan mozgó, nagy energiájú részecskék kibocsátásával jár együtt. Radioaktív sugárzásnak nevezzük a radioaktív bomlásban keletkező gyorsan mozgó részecskék áramát.

9. A kibocsátott részecskék energiája a kémiai folyamatokban felszabaduló energiáknál kb. milliószor nagyobb. • Mivel ilyenkor általában egy kezdeti részecskéből spontán módon több részecske keletkezik, radioaktív bomlásnak is nevezzük ezeket az átalakulásokat.

10. A radioaktív sugarak tulajdonságai Elektromos és mágneses térben történő eltérülésük alapjánhárom csoportra lehet osztani. • A negatív pólus felé eltérő -sugárzás(alfa-bomlás) során a kezdeti atommag egy hélium atom pozitív elektromos töltésű atommagját bocsátja ki általában 5-10 MeV mozgási energiával (1 MeV =1,6·10-13 J). • Az alfa-részecske (a hélium atommagja) két proton és két neutron erősen kötött rendszere, ezért energetikailag kedvező a megvalósulása.

11. Az -részecskék sebessége 1,4-2,2 107 m/s. Áthatolóképességük aránylag kicsi, néhány cm vastag levegőréteg, vagy 0,05 mm vastag alumíniumlemez már teljesen elnyeli őket. Hatótávolságuk (levegőben való teljes elnyelődés) értéke 2,5 - 8,6 cm között mozog.

12. 2. A -sugárzáslezajlása a gyenge kölcsönhatás eredménye. A béta-bomlásban neutrínók () is részt vesznek.

13. A -sugarak sebessége (1 - 2,7  108 m/s), 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. Mozgási energiája (a kicsi tömeg miatt), az α-részecskénél általában lényegesen kisebb (0,05 - 5MeV).

14. 3.A -sugárzás, amely az elektromos és mágneses mezőben nem térül el, sebessége ugyanakkora, mint a fény sebessége. Ezek alapján elektromágneses rezgésnek tekintjük. Hullámhossza 1 nm-nél rövidebb, frekvenciája és energiája a legerősebb energiájú röntgensugarakénál is nagyobb nagyságrendű. Áthatoló képessége igen nagy. Több cm vastag alumíniumlemez és 10 m vastag levegőréteg sem nyeli el teljesen.

16. Soddy – Fajans féle eltolódási szabály Megállapították, hogy az alfa- és a béta-bomlás elem-átalakulással jár együtt. Frederick Soddy (1877-1956) Kasimir Fajans (1887-1975)

17. Az alfa-bomlás során az atommag pozitív töltése kettővel csökken, így az atommagon belül a protonok taszításából származó, a nukleonok kötését gyengítő elektrosztatikus energia is jelentősen csökken. Például: vagy

18. A béta-bomlások mindig az atommagon belüli protonok és neutronok egymásba történő átalakulásai. • Ha a neutron alakul át protonná, akkor egy negatív töltésű elektron keletkezik, így marad meg az elektromos töltés a folyamatban. Az elektronnal együtt keletkezik egy antineutrínóis.

19. Ha a proton alakul át neutronnáegy atommagon belül, úgy hogy befog a K-héjról egy elektront, akkor pozitron (e+) és neutrínó () is keletkezik:

20. A Soddy-féle ún. eltolódási szabály: • Ha valamely radioaktív elem bomlásakor -sugarakat bocsát ki, akkor az ilyen átalakulás következtében képződött új elem(leányelem) kémiai tulajdonságaira nézve olyan elem lesz, amely a periódusos táblázatban a kiindulási elemtől (anyamag) két hellyel balrahelyezkedik el. • Ha a radioaktív elem bomlása -sugarak kibocsátásaközben történik, akkor a képződő új elemkémiai tulajdonságaira nézve olyan elem lesz, amely a periódusos táblázatban a kiindulási elemtől egy hellyel jobbrahelyezkedik el. • +-sugarak kibocsátása közben a képződő új elem a kiindulási elemtől egy hellyel balrahelyezkedik el.

21. A tömeghiány Δm (tömegdefektus) • Ha egy atommagot alkotó protonok és neutronok tömegét külön-külön lemérjük, összeadjuk az értékeket, majd atommaggá „gyúrva” őket lemérjük a mag tömegét, az látjuk, hogy a mag tömege (M) kisebb, mint a külön mért tömegek összege!

22. Például, a 4-es tömegszámú hélium esetében a tömeghiány: Egy mólnyi mennyiségű héliumnál ez már megközelítőleg 2,928310-5kg illetve 29,283 mg. Ilyen eltérések mutatkoznak a többi elemnél is.

23. A tömeghiányra a magyarázatot Aston,Nobel-díjas angol fizikus és kémikus találta meg. Tudjuk, hogy az exoterm kémiai reakcióknál energia szabadul fel. Ezt eddig is tudomásul vettük anélkül, hogy kerestük volna az energia eredetét. Aston elmélete szerint ez a felszabadult energia nem más, mint a reakcióban eltűnő tömegnek energia-egyenértéke.Mivel a visszaalakításhoz, vagyis az ellentétes irányú reakcióhoz ugyanakkora energia befektetésére van szükség, afelszabaduló energia egyúttal a kötési energiával egyenlő. William F. Aston (1877-1945)

24. A közönséges kémiai reakcióknál viszonylag kis energiaváltozások mennek végbe és a tömegváltozás elhanyagolható (a tömegmegmaradás törvénye egymagában is érvényes). • Az atommag-reakciók, pl. a magfúzió esetében már a jelentős mennyiségű energia-felszabadulás miatt a tömeghiány kimutatható és nem hanyagolható el.

25. A radioaktív bomlás törvénye • Az atommag bomlásáról nem mondhatunk semmit, csak annyi bizonyos, hogy a jelenlevő összes atommagok egy adott hányada elbomlik az időegység alatt. • Az aktivitás (A) vagyis a bomlás sebessége attól függ, hogy az adott pillanatban mennyi a radioaktív atommagok száma és hogy melyik radioaktív izotóp bomlik. -az illető radioaktív elemre jellemző ún. bomlási állandó, N- az eredetileg jelenlevő atomok száma.

26. A bomlási állandó(λ) értéke azt fejezi ki, hogy a radioaktív elem egységnyi mennyiségének hányadrésze bomlik el időegység alatt. Ha pl., = 0,1 s-1, akkor az annyit jelent, hogy tíz atomból egy atom bomlik el egy másodperc alatt. • Az erősen radioaktív elemeket nagy, a kevésbé radioaktívakat kisebb bomlási állandó jellemzi.

27. Az aktivitás mértéke az adott anyagdarabban egy másodperc alatt átlagosan bekövetkező radioaktív bomlások számával. Mértékegységea Bq (Becquerel, ejtsd: bekerel). Egy test aktivitása 1 Bq, ha abban másodpercenként átlagosan 1 bomlás történik.

28. A felezési idő • Azt az időtartamot, ami alatt adott számú radioaktív atom fele elbomlik, felezési időnek nevezzük. Jele: T1/2

29. A felezési idő minden radioaktív izotópfajta saját, jellemző tulajdonsága. • Az izotópok felezési ideje a másodperc törtrésze és évmilliárdok között mozoghat. • Az eddig ismert leghosszabb felezési idejű izotóp a 128Te (tellúr) 1,5x1024 éves felezési idővel, a legrövidebb a 216Ra (rádium) 7x10-9 s (7 ns, azaz 7 nanoszekundum) felezési idővel.

30. Mesterséges radioaktivitás

31. A mesterséges radioaktivitás felfedezése Curie I. és Joliot (1934) nevéhez fűződik. • Észrevették, hogy a polóniumból származó -részecskékkel bombázott alumíniumból neutronok mellett pozitronok is felszabadulnak: • A pozitronsugárzás akkor is folytatódik, ha az -részecskék bombázó hatása már megszűnt.

32. Az ilyen mesterséges úton keletkezett bomlékony atomfajtát sugárzóképessége folytán mesterséges radioaktív elemnek nevezzük. • Mesterséges úton csaknem minden elem radioaktívvá tehető úgy, hogyma már több száz a mesterséges radioaktivitással rendelkező izotópok száma. Ezek előállítása úgy történik, hogy az atommagot pozitív töltésű részecskékkel vagy lassú neutronokkal bombázzák.

33. A mesterséges radioaktív elemeknek rendkívül nagy jelentőségük van a kémiai és biológiai kutatások szempontjából, mert radioaktív indikátorul használhatók. A radioaktív indikációs (jelezéses) módszerek kezdeményezése a Nobel díjas (1943) magyar fizikus és kémikus Hevesy Györgynevéhez fűződik. A módszer lényege az, hogy a vizsgált folyamatokban résztvevő atomokhoz radioaktív izotópot kevernek és ez által az atomot mintegy megjelölik. A stabilis atomokkal keveredett izotópok a kémiai változások során éppúgy viselkednek, mint a nem radioaktív atomok, úgyhogy az ilyen keverékkel mindenfajta kémiai átalakulás végrehajtható. Hevesy György 1885-1966

34. Az izotóp indikátorok (jelzők) nagy segítséget nyújtanak az orvostudománynak is, rendszerint a gyógyszerhatás tanulmányozásaterén. • Ha radioaktív izotópot tartalmazó anyagot juttatnak élő szervezetbe, akkor a sugárzás mérésével, figyelemmel kísérhető annak útja és sorsa a szervezet különböző részeiben.

35. Fisszió, fúzió

36. A mesterséges magreakciók között vannak olyanok, amelyek igen nagy energia-felszabadulással járnak. A felszabadult energia nagysága milliószor nagyobb, mintkémiai folyamatok során jelentkező energia. • Néhány példa ezzel kapcsolatban: 5,02 MeV 22,28 MeV 1eV=1,610-19J, 1MeV=106eV

37. Nagy energiát kétféleképpen tudunk felszabadítani: • nehéz atommagok hasításával (fisszió) és • könnyű magok egyesítésével (fúzió).

38. A fisszió az atommagok energia-felszabadulással járó széthasadása. Hahn,Strassmannés Meintner fedezte fel 1939-ben, hogy a nehéz atommagok neutronok, nagy sebességű elektromos töltéssel rendelkező részecskék vagy gamma sugarak hatására könnyebb atommagokká hasadhatnak szét. • A maghasadáskor keletkezett részecskék összes tömege kisebb, mint a hasadó mag tömege.

39. Fritz Strassmann (1902-1980) Otto Hahn (1879-1968) Lise Meintner (1878-1968) • A felszabaduló energia legnagyobb részét a hasadási termékek mozgási energiája teszi ki; kisebb része radioaktív sugárzás formájában jelentkezik.

40. Ha egy lassú, kis energiájú neutron ütközik az U-235 magjának, a mag befogja azt, és egy új gerjesztett mag, U-236 jön létre. Az esetek kb. 85%-ában igen rövid idő alatt (10-15s alatt) bekövetkezik a maghasadás, 15%-ában pedig a mag -sugárzással szabadul meg felesleges energiájától. A reakciót a következőképpen írhatjuk fel: A felszabaduló neutronok ismételt maghasadást idéznek elő, így láncreakció jön létre.

43. A láncreakciót lehet úgy vezetni, hogy: Mindig csak korlátozott mennyiségű mag hasadjon szét, és ne terjedjen ki a folyamat az alkalmazott radioaktív anyag egész mennyiségére szabályozott láncreakcióról beszélünk. 2. A hasadási folyamat az alkalmazott radioaktív anyag egész mennyiségére kiterjedjen és robbanásszerűen, menjen végbe (atombomba). Ez a nem szabályozott láncreakció.

44. A két urántömb, amelynek mindegyike némileg kisebb tömegű, mint a kritikus tömeg külön-külön veszélytelen. A tömbök robbanó töltettel való gyors egyesítésekor, megindul a láncreakció és nukleáris robbanás történik, amely 10-15 másodperc alatt megy végbe.

45. A fúziókönnyű atommagok egyesülésével járó termonukleáris reakció (magas hőmérsékleten létrejövő reakció), amit nem lehet céltudatosan irányítani, vagyis a reakció sebességét és a felszabaduló energia mennyiségét egyelőre nincs módunkban befolyásolni. • A hidrogénbomba robbanása 1954-ben, volt az első fúzió, amely a földünkön lejátszódott. • A hidrogénbomba működésének alapja a következő reakciósor:

46. A radioaktívsugárzáskimutatása

47. Aradioaktív sugárzáskimutatására, illetveerősségénekmérésére a következő készülékek használatosak: • Szpintariszkóp, • Geiger-Müller-féle számláló, • Elektroszkóp, • Wilson-féle ködkamra, • Modern detektorok.

48. Szpintariszkóp A műszer rövid fémcsőből áll, amelynek egyik végét cink-szulfiddal bevont sima lemez, másik végét pedig erre beállított nagyítólencse zárja el. Az -sugárzó készítmény a cink-szulfidos lemez előtt néhány miliméterre elhelyezett fémpálca végén van. Ha teljes sötétségben tekintünk a készülékbe, akkor a cink-szulfidos lemezen számos felvillanás látható, amelynek mindegyikét egy-egy -részecske ütközése okozza.

49. A d1 és d2jelzésű szigetelő dugókkal elzárt, ritkított levegővel, vagy más alkalmas gázzal töltött H fémhenger belsejében vékony fémhuzal (f) van kifeszítve. A huzal és a henger között 10001500V feszültségkülönbséget létesítenek a Ttelep segítségével, melynek pozitív sarka, akárcsak az E elektrométeré, földelt. • Geiger-Müller-féle számlálócső Ha a fémhengeren vagy a szigetelő dugók egyikén elhelyezett, csillámlemezzel elzárt nyíláson át - vagy -részecskék jutnak a hengerbe, akkor a keletkező gázionok kisülést okoznak, melyet az elektrométer jelez. Elektrométer helyett regisztráló-berendezést is iktathatnak a készülékbe, amely a kisülések számát automatikusan feljegyzi.

50. Elektroszkóp A sugárzás kimutatása azon alapszik, hogy egy elektroszkópot feltöltve egynemű elektromossággal, annak két ága szétválik. Amikor a készülék közelében radioaktív anyag helyezkedik el, akkor a levegő vezetővé lesz, és ennek következményeként az elektroszkóp fémágai összeesnek. Megfelelő segédberendezéssel a készülék alkalmas a sugárzás erősségének a mérésére is.