Általános ismeretek

Radioaktivitás, ionizáló sugárzás

Jelen fejezetünkben a radioaktivitással kapcsolatos legalapvetőbb fogalmakat kívánjuk tisztázni..

Az atommagok építőkövei, elemek és izotópok

A radioaktivitás fogalmának bevezetéséhez szükséges az atomok összetételével kapcsolatos fogalmak ismerete.
Az atomok térfogatának zömét a negatív töltésű elektronokból álló elektronfelhő alkotja. Az atom átmérője 1010  méter nagyságrendbe esik és ezen belül található az atom parányi, kb. 1014 méter átmérőjű pozitív töltésű magja, mely az atom térfogatának csupán elenyészően kis részét teszi ki.

A radioaktivitás jelenségénél csak az atommag jellemzői számítanak. Az atommagnak kétféle építőköve van, a pozitív töltésű protonok és az elektromosan semleges neutronok. Az atommagot felépítő protonokat és neutronokat közösen nukleonoknak hívjuk.

Az azonos kémiai viselkedésű atomokat elemeknek hívjuk. Az atom kémiai viselkedését a protonok száma határozza meg. Ezért ezt a számot rendszámnak hívjuk, amely egyértelműen megmutatja, melyik elemről van szó. Ezért például teljesen egyenértékű meghatározás az, ha a 92-es rendszámú elemről, avagy az uránról beszélünk.

Az atomok magfizikai viselkedésénél a protonok száma – tehát a rendszám a periódusos rendszerben – mellett a neutronok száma a másik meghatározó mennyiség. A legtöbb elem esetén a neutronok száma különböző lehet. Az azonos rendszámú, de különböző neutronszámú atomokat izotópoknak hívjuk.

Egy adott izotópot pontosan meghatároz a rendszám és a nukleonok együttes száma. Utóbbit tömegszámnak hívjuk. Az izotópokat röviden a vegyjelükkel és a bal felső sarokban feltüntetett tömegszámmal szoktuk jelölni. Például a 238U az urán 238-as tömegszámú izotópját jelöli, ami azt jelenti, hogy ebben az izotópban 238 nukleon található. Amennyiben az urán 92-es rendszámát is fel kívánjuk tüntetni, így jelölünk: 23892U.

Egy elem izotópjai közül azokat nevezzük stabil izotópnak, amelyek atommagja külső beavatkozás nélkül nem változik meg. Instabil, vagy radioaktív izotópnak nevezzük azokat, amelyek atommagja külső beavatkozás nélkül is megváltozhat. Amennyiben ez a spontán változás bekövetkezik, az adott mag radioaktív bomlásáról beszélünk, mivel innentől fogva az eredeti izotóp eltűnik; átalakul egy másik izotóppá. Az atommagok a radioaktív bomlás útján törekszenek stabil magokká alakulni. Ez sokszor csak bomlások sorozatával sikerül.

A ma ismert elemek száma 118, de hivatalosan még nem mindegyiket igazolták. Ezeknek az elemeknek több, mint 2500 izotópja létezik. Ezek közül a jelenlegi ismeretek szerint 288 stabilnak tekinthető, az összes többi magától elbomlik, azaz radioaktív. A radioaktív bomlás során minden esetben egy vagy több részecskét sugároz ki a mag, és általában elektromágneses sugárzást is kibocsát. Az ionizáló sugárzás kibocsátását, illetve a kibocsátott részecskét radioaktív sugárzásnak hívjuk.

Az alfa-sugárzás

Az alfa-sugárzás során a mag egy négy nukleonból – két proton és két neutron – álló úgynevezett alfa-részecskét bocsát ki. Az alfa-részecske tulajdonképpen azonos a hélium 4-es tömegszámú 4He izotóp atommagjával. Alfa-sugárzást csak nagyon nagy, 82-nél nagyobb rendszámú izotópok bocsátanak ki.

Az alfa-sugárzás során a mag tömegszáma néggyel, és (a két kibocsátott protonnak megfelelően) rendszáma kettővel csökken. Erre példa a 226Ra (rádium) alfa bomlása. A bomlás végterméke a 222Rn (radon).

Az alfa-részecske töltése és tömege igen nagy, ezért erősen roncsolja a közeget, amibe belép, ugyanakkor hatótávolsága nagyon kicsi, akár egy vékony papírlap, vagy az emberi bőr is könnyen elnyeli. Levegőben a hatótávolsága néhány cm. Emiatt igazán csak akkor veszélyes, ha valamilyen módon alfa-sugárzó izotópokat tartalmazó anyag jut szervezetünkbe.

A béta-sugárzás

A béta-sugárzás tipikusan a neutronfelesleggel rendelkező atommagok bomlási módja. Ekkor ugyanis egy neutron átalakul protonná, miközben egy elektron keletkezik. Az így felszabaduló energia jelentős részét az elektron mozgási energiája viszi el. Az atomból nagy sebességgel kilépő elektron a béta-részecske. A béta-bomlás során tehát az atom rendszáma eggyel nő, tömegszáma viszont változatlan marad, amit a 137Cs (cézium) bomlásának példáján mutatunk be. A végtermék ekkor a 137Ba (bárium).

A béta-részecske tehát egy elektron, és szintén töltött, de tömege, mozgási energiája, roncsoló hatása jellemzően kisebb, áthatolóképessége viszont nagyobb, mint az alfa-sugárzásnak. Egy vékony alumíniumlemezzel azonban már a béta-sugárzást is le lehet árnyékolni.

A gamma-sugárzás

A gamma-sugárzás annyiban különleges az alfa- és béta-sugárzáshoz képest, hogy nem változtatja meg az atommag összetételét, csak annak állapotát. A gamma-sugárzás mindig alfa- vagy béta-bomlás után, illetve azzal egy időben következik be. Sok esetben ugyanis a bomlás után a keletkezett új mag gerjesztett állapotban marad. A gerjesztett állapot energiatöbbletét aztán azonnal, vagy hosszabb idő után elektromágneses sugárzás formájában adja le. Ez a sugárzás a gamma-sugárzás.

A béta-sugárzásra adott példánkban a 137Cs bomlásakor először 137mBa (bárium) gerjesztett állapotú izotóp (ezt jelöli az “m” index) keletkezik, amely a felesleges energiát gamma-sugárzás formájában adja le.

A gamma-sugárzás, mint elektromágneses sugárzás hasonló jelenség, mint a látható fény. A különbség csupán abban áll, hogy a fotonok energiája akár milliószor nagyobb lehet, mint a látható fény fotonjainak energiája.

A gamma-sugárzás töltéssel nem rendelkezik, ezért áthatolóképessége igen nagy, roncsoló képessége azonban kisebb a többi sugárzásénál. Külső sugárforrásként azonban mégis a gamma-források a legveszélyesebbek, mivel leárnyékolásukhoz vastag ólom vagy beton réteg szükséges.

A radioaktivitás

Egyetlen radioaktív atomról sem lehet tudni, hogy pontosan mikor fog elbomlani: egy másodperc, vagy akár egy évezred múlva. Nagyszámú atomra azonban érvényes a bomlás statisztikai törvénye.

A radioaktivitás erősségével kapcsolatos legfontosabb fogalom az aktivitás.

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

Az aktivitással kapcsolatos fogalmak a fajlagos aktivitás és az aktivitáskoncentráció.

  • A fajlagos aktivitás azt mutatja meg, hogy egységnyi tömegű anyagban hány bomlás következik be másodpercenként. Mértékegysége: Bq/kg, Bq/g, stb.
  • Az aktivitáskoncentráció alatt az egységnyi térfogatra jutó aktivitást értjük. Mértékegysége: Bq/l, Bq/m3 stb.

A felezési idő

A felezési idő fogalmának megértéséhez vegyünk egy példát: A trícium, a hidrogén 3-as tömegszámú izotópja (3H) béta-bomló. Ha ma van 1 mol (6×1023 db) trícium atomunk, és türelmesen várunk, 12,3 év elteltével már csak 1/2 mol trícium atomunk lesz, ami még nem bomlott el. Ha várunk még további 12,3 évet, tehát összesen 2×12,3=24,6 év elteltével már csak 1/4 mol, míg 3×12,3=36,9 év múlva csak 1/8 mol el nem bomlott trícium atomot számolhatunk össze. Azt az időtartamot, ami alatt adott számú radioaktív atom fele elbomlik, felezési időnek nevezzük.

A felezési idő minden fajta radioaktív izotóp saját, jellemző tulajdonsága. Az izotópok felezési ideje a másodperc törtrésze és évmilliárdok között mozoghat. Az eddig ismert leghosszabb felezési idejű izotóp a 128Te (tellúr) 2,2×1024 éves felezési idővel, az egyik legrövidebb a 216Ra (rádium) 182×10-9 s (182 ns, azaz 182 nanoszekundum) felezési idővel.

Az aktivitás és a felezési idő kapcsolata könnyen átlátható. Minél több bomlás történik adott számú radioaktív atom esetén, annál hamarabb következik be a magok felének elbomlása. Vagyis az aktivitás fordítottan arányos a felezési idővel. Konkrétan

A=N*ln2 / T1/2 ,

ahol A az aktivitás Becquerelben, N az adott radioaktív atomok száma, ln2 a 2 természetes alapú logaritmusa (ln2=0,6931), T1/2 pedig a felezési idő.

Amennyiben egy baleset során radioaktív anyagok kerülnek ki a környezetbe, eleinte elsősorban a rövid felezési idejű izotópok adhatnak okot az aggodalomra, mivel ezek képviselik eleinte a legnagyobb aktivitást. Tipikus példa erre a 131I (jód). A csernobili atomerőmű balesete után közvetlenül ez az izotóp okozta a legnagyobb sugárterhelést a lakosság körében. 8 napos felezési ideje miatt azonban hamar lebomlott, így egy hónappal a baleset után már elenyésző hatása volt.

A fenti példa is mutatja, hogy hosszabb távon inkább a több éves, évtizedes felezési idejű izotópok bírnak jelentőséggel. Visszatérve a csernobili baleset példájára, napjainkban is jól megfigyelhető a baleset során a környezetbe kikerült 137Cs (cézium) radioaktív izotóp, mivel felezési ideje 30 év.

Tekintse meg filmünket: