2019 november 22 - péntek

2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

Az előző oldalon megismerkedtünk a plazma áramfejlesztéssel. A cikkben szó volt a sugárzásról is, ezért ezen az oldalon alaposabban megismerkedünk a különböző típusú radioaktív sugárzásokkal. Ahhoz, hogy az itt ismertetésre kerülő információk érthetőbbek legyenek, javaslom, hogy először olvasd el a kvantummechanika alapjairól szóló ismertetőt.

Sugárzások tengerében élünk. Sok különböző típusú sugárzás létezik, mint pl. a látható fény, a Nap ultraviola sugárzása, az infralámpa infravörös sugarai, mikrohullámok, rádióhullámok vagy pl. az ionizáló sugárzások. Azt a sugárzást nevezzük ionizálónak, amely elegendő energiával rendelkezik ahhoz, hogy egy atom egy vagy több elektronját leszakítsa az atommagról. Ez egy elektromosan töltött atomot (vagy molekulát) hoz létre, melyet ionnak nevezünk. Az ionizáló sugárzásra jó példa az X (röntgen) sugár, melyet gépek sugározhatnak ki, vagy a g-sugár, melyet rádióaktív anyagok bocsátanak ki magukból. Más rádióaktív anyagok a és b sugarakat bocsátanak ki pl. az atomreaktorokban keletkező atombomlás során.

Ezen az oldalon az a-, b– és g-sugarakkal foglalkozunk kicsit behatóbban, de elmagyarázzuk az X sugarak természetét és szót ejtünk az ionizálásról is.

Mi az az a-sugár és hogyan jön létre?

Az alfa "sugarak" tulajdonképpen nagysebességű részecskék. A kezdeti kutatásoknál az energiakibocsátás minden formáját sugaraknak tartották, ezért maradt fenn ez az elnevezés.

Egy a részecske két protonból és két neutronból áll, melyeket ugyanaz az erős nukleáris erő tartja egyben.

alphaparticle 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

1. ábra. Az a részecske

Tulajdonképpen az a részecske egy atommag, amely teljesen megegyezik a hélium atommagjával, csak annyi a különbség, hogy nem keringenek elektronok körülötte. Az a részecske az ionizáló sugárzás egy fajtája.

Az a részecske kialakulásának megértéséhez meg kell határoznunk a radioaktív bomlás fogalmát. A neutronok és protonok bizonyos kombinációjában az atommag stabil. Erre példa a bismut atom, melynek 83 protonja és 126 neutronja van. Ezt bismut-209-nek nevezzük (126 + 83 = 209) és ez mindig bismut-209 marad. De ha egy további neutront juttatunk az atomba, akkor kialakul a bismut-210, mely már instabil, azaz radioaktív. Az atom végül is spontán módon megváltozik, azaz "széthasad", így válik ismét stabillá. Ez azonban csak néhány módon lehetséges. Az egyik mód az, hogy a részecskét sugároz ki magából, azaz önmaga egy részétől megválik. Az a részecske az, amit önmagából kisugároz az "a bomlás" során.

alphadecay 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

2. ábra. Az a bomlás

Mivel az atom két protont és két neutront adott le, az eredeti bismut atom tallium-206 atommá alakult. Ez a tallium atom már jóval stabilabb, de szintén radioaktív, ezért ez is tovább bomlik, de ezúttal már nem a bomlásként és ennek következtében teljesen stabil ólom atommá válik.

Csak a viszonylag "nehéz" atomoknál – mint pl. a bismuth – figyelhetünk meg a bomlást. A könnyebb radioaktív elemek másfajta bomláson keresztül válnak stabillá. Sok ilyen radioaktív anyag van a Földön, így lett felfedezve ez a sugárzás is.

Az a részecskék kialakulásának másik módja az, hogy az atomot "rákényszerítjük" egy a részecske kibocsátására, mely az adott atom bizonyos tulajdonságainak a felhasználásával történik. Erre példa az, mikor a közönséges boron-10 (5 proton és 5 neutron) atomot kitesszük lassú mozgású neutronok mezejének, és néhány boron atom elnyel egy-egy neutront. Ekkor a boron-10 először boron-11-é válik, majd kisugározva egy a részecskét stabil lítiummá alakul. Más atomok is viselkedhetnek ilyen módon.

Bár az a sugárzás nagyon gyorsan terjed, ezt könnyen megállíthatjuk, azaz leárnyékolhatjuk. Az a részecskéknek a protonjaik miatt pozitív töltésük van. Miközben keresztülhatolnak egy anyagon, állandóan kölcsönhatásban vannak más töltött részecskékkel, mint pl. az elektronokkal. Ezen folyamat közben az a részecskék mozgási energiája átadódik az elektronoknak, ezáltal azokat leszakítják az atommagról. Ezt a folyamatot ionizálásnak nevezzük.

Ezen kölcsönhatások közepette az a részecske elveszíti az energiáját és nyugalomba kerül. Képzeljünk el egy biliárdgolyót, amint az a biliárdasztalon gurul, miközben másik golyóknak ütközik, végül pedig megáll. Az a részecskékkel ez nagyon hamar bekövetkezik, még a levegőben is, ahol az a részecskék az energiájukat elveszítik már pár centiméterre a forrásuktól. Mikor az a részecske megáll, akkor a hozzá legközelebbi két elektront magához ragadja és közönséges hélium atommá válik.

Az a sugárzás nem veszélyes, ha nem kerül be az emberi testbe, mivel az a részecskék nem tudnak olyan mélyen behatolni a testbe, hogy a sejteket károsítsák. Azonban ha a sugárzás a testünkön belül indul meg, akkor a fentebb említett ionizálás már károsíthatja a sejteket. Ezért a biztonsági szempontokat szem előtt tartva az a részecskéket kisugárzó elemeket olyan helyen kell tárolni és használni, ahol azok belélegzése vagy lenyelése ki van zárva.

Az alfa sugárzásról az információt innét vettem.

A b-sugárzás

A b bomlás olyan radioaktív folyamat, melynek során a radioaktív atomból egy elektron és egy antineutrínónak nevezett szokatlan részecske lép ki. A neutrínó egy szinte tömeg nélküli részecske, mely a bomlás során magával ragadja az energia egy részét. Mivel a kisugárzott elektron az atommagból származik, ezért ezt b részecskének nevezzük, hogy megkülönböztessük az atommag körül keringő elektrontól.

Akárcsak az a bomlás, a b bomlás is neutronban gazdag izotópokban jön létre. A "neutronban gazdag" azt jelenti, hogy sokkal több neutron van az atommagban, mint ahány proton.

beta 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

3. ábra. A b bomlás

Azok az atomok, melyek b bomláson mennek keresztül, tipikusan az atomreaktorok bomlási termékei. Mikor az atommag kibocsát egy b részecskét, akkor az atommag egyik neutronja átalakul protonná. Mivel a magban a protonok száma megváltozott, egy új atom alakul ki, melynek egyel több protonja és egyel kevesebb neutronja lesz, mint amennyi a "szülő" atomnak volt. Például, mikor a rhenium-187 lebomlik (75 proton és 112 neutron) b bomlással, akkor osmium-187 (76 proton és 111 neutron) keletkezik.

A b részecskék negatív töltésűek és a súlyuk a neutron vagy proton tömegének csak a nagyon kis hányadát teszi ki. Ebből az következik, hogy a b részecskék sokkal kevésbé hajlamosak az anyagokkal való kölcsönhatásra, mint az a részecskék. A b részecske energiájától függően (mely energia a radioaktív atom függvénye) a b részecskék maximum néhány méterre tudnak eljutni a levegőben és megállítható vékony fém vagy műanyag réteggel.

A nagy energiával rendelkező b részecskék a vízen keresztülhatolva néha un. Cerenkov sugárzást (fénykibocsátást) eredményeznek, ami kékes fényként figyelhető meg az atomreaktorokban. Ennek oka a következő: A töltött részecske a haladási irányával párhuzamosan, kúpalakban fényt bocsát ki, mivel ekkor a fény sebességénél gyorsabban halad. Annak ellenére, hogy a fény sebessége vákuumban a részecskék által elérhető legnagyobb sebesség, bármilyen más közegben a fotonok sebessége lelassul. Ez a lassulás a közeg atomjainak elektromos mezeje által jön létre. Mikor a fotonok lelassulnak, akkor előfordulhat, hogy egy nagy energiájú részecske, pl. a nagy energiával rendelkező b részecske gyorsabban mozog a fénynél.

Az a részecskékhez hasonlóan a b részecske is csak akkor jelent veszélyt a sejtekre, ha az bekerül a szervezetbe, azaz mikor pl. belélegezzük vagy lenyeljük a b részecskéket kibocsátó anyagot.

A béta sugárzásról az információt innét vettem.

A g-sugárzás

A bomlási reakciók után az atommag gyakran un. "gerjesztett" állapotban van. Ez azt jelenti, hogy a kialakult atommag még mindig fölös energiával rendelkezik, amit le szeretne adni. Azonban ahelyett, hogy további a vagy b részecskét sugározna ki, ez a fölös energia elektromágneses impulzus formájában távozik, amit g sugárnak hívunk. A g sugár ugyanolyan elektromágneses hullám, mint a fény vagy a mikrohullámok, de az energiája rendkívül nagy.

gamma 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

4. ábra. A g sugarak kialakulása

Akárcsak az elektromágneses sugárzás bármely formája, a g sugár nem rendelkezik se tömeggel, se töltéssel. A g sugarak úgy hatnak az anyagra, hogy az atom körül keringő elektronokkal összeütköznek. Eközben nagyon lassan elveszítik az energiájukat, de nagyon messzire eljutnak az anyagban, mielőtt "megállnának". A kezdő energiájuktól függően a g sugarak több száz métert is megtehetnek a levegőben és könnyen keresztülhatolnak az emberen.

Fontos megjegyezni, hogy a legtöbb a és b sugárzó g sugarakat is kibocsát magából a bomlási folyamat részeként. Nincs olyan dolog, amit "tiszta" g sugárzónak nevezhetnénk. Jelentős g sugárzó a technetiom-99m, melyet a nukleáris gyógyításnál használnak, valamint a cesium-137, melyet a nukleáris műszerek kalibrálásakor alkalmaznak.

A g sugaraknak van a legkisebb hullámhossza és a legtöbb energiája az elektromágneses spektrumban.

gamma1 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

5. ábra. A g sugarak elhelyezkedése az elektromágneses spektrumban

Ezek a sugarak a világűr távoli pontjairól is elérnek hozzánk és csak a Föld atmoszférája nyeli el őket. A fény különböző hullámhosszai különböző mélységben tudnak behatolni a Föld atmoszférájába, viszont a világűrben jelen lévő g sugarakat csak nagy magasságba emelkedett mérőballonokkal és az űrszondákkal lehet megfigyelni.

atmosphere 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

6. ábra. A különböző hullámhosszú elektromágneses hullámok elnyelése az atmoszférában

A g sugár a fény legenergikusabb formája és a világűr legforróbb régióiban keletkezik. A g sugarak a szupernóva robbanások során, vagy az atomok bomlása során keletkeznek.

Ha láthatnánk szabad szemmel a g sugarakat, akkor az ég a következőképpen nézne ki:

moon_egret 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

7. ábra. A láthatóvá tett g sugarak az égen

Mivel a g sugarak mélyen be tudnak hatolni az emberi testbe, ezért nagyon károsak a sejtjeinkre.

A gamma sugárzásról az információt innét és innét vettem.

Az X-sugarakról

Az X-sugarak alapvetően megegyeznek a látható fénysugarakkal. Mindegyik elektromágneses energiahullám, mely energiát a fotonnak nevezett részecskék közvetítik. Az X-sugarak és a látható fénysugarak között az a különbség, hogy a fotonok más energiaszinten vannak. Ez az energiaszint különbség a hullámhosszakban is megfigyelhető.

A szemünk csak a látható fény hullámhosszára érzékeny, ezért a rövidebb hullámhosszú és magasabb energiájú X-sugár hullámokat vagy az alacsonyabb hullámhosszú és kisebb energiaszintű rádióhullámokat nem érzékeli.

A látható fény fotonjai és az X-sugár fotonjai egyaránt az elektronok atomon belüli mozgásának az eredményei. Az elektronok különböző energiaszinteket vagy pályákat foglalnak el a az atommag körül. Mikor az elektron egy alacsonyabb pályára esik vissza, akkor leadja a fölös energiáját. Ez az energialeadás foton formájában történik.

Mikor a foton nekiütközik egy másik atomnak, akkor az atom úgy nyeli el a foton energiáját, hogy egy elektronja magasabb energiaszintre kerül. Ahhoz, hogy ez megtörténhessen, a foton energiaszintjének meg kell egyeznie a két elektronpálya közötti energiakülönbséggel. Ha ez nem áll fenn, akkor a foton nem tudja az elektronokat másik pályára állítani.

fluorescent-lamp-atom 2.4.14.2. A radioaktív sugárzásról

8. ábra. Az atom fénykibocsátási folyamata

A testünk szöveteit alkotó atomok nagyon jól elnyelik a látható fény fotonjait, mivel a fotonok energiaszintje megegyezik a különböző elektronpályák közötti energiakülönbségekkel. A rádióhullámok nem rendelkeznek elegendő energiával ahhoz, hogy a nagyobb atomokban az elektronokat egy másik pályára állítsák, ezért könnyen áthatolnak a legtöbb anyagon. Az X-sugár fotonjai szintén áthatolnak a legtöbb anyagon, de egy másik okból kifolyólag: túl sok energiával rendelkeznek.

Ugyanakkor az X-sugarak képesek arra, hogy egy elektront teljesen letérítsenek az atommag körüli pályájáról s ezt az elektront az energia fennmaradó részével keresztülrepítsék a téren. A nagyobb atomok nagyobb valószínűséggel nyelik el az X-sugár fotonjait, mivel a nagyobb atomok nagyobb energiakülönbségekkel rendelkeznek az elektronpályák között és ez a nagyobb energiakülönbség megegyezik az X-sugár fotonjának energiájával.

Mivel testünk szövetének atomjai kisebb atomokból állnak, ezért nem nyelik el jól az X-sugár fotonjait. A csontjainkat felépítő kalcium atomok viszont sokkal nagyobbak, ezért azok elnyelik az X-sugár fotonjait.

Az X-sugarakról az információt innét vettem.

Az ionizációról

Az ionizációra jó példa, mikor a b sugarak – melyek valójában gyors elektronok – elveszítik az energiájukat a molekulákkal való kölcsönhatás során. Az átadott energia elég nagy ahhoz, hogy szétszakítsa a kémiai kötéseket. Az ionizáció különbözik azoktól az ion kialakulásoktól, melyek közönséges kémiai reakciók során játszódnak le. Az a folyamat, mely pl. a konyhasó (NaCl – nátrium-klorid) vízben történő feloldásakor jön létre, jó példa a közönséges kémiai reakciókra. A nátrium és a klór azért kapcsolódnak össze, mert azok önállóan nem stabilak. A nátrium atomnak csak egy elektronja van a legkülső elektronhéján, melynek leadása jóval stabilabbá tenné az atomot. A klór atomnál pont ellenkező a helyzet, a legkülső elektronhéján hét elektronnal rendelkezik és egy plusz elektron felvételével válna stabillá. Mikor ez a két atom összekapcsolódik és NaCl-ot alkot, akkor a nátrium megosztja a legkülső elektronhéján lévő elektronját a klórral, azaz mind a két atom stabil állapotba jut. A közönséges kémiai reakciók során, mint pl. a Na és a Cl összekapcsolódásakor az átadott elektron a legkülső elektronhéjon marad.

Mikor a NaCl-ot feloldjuk a vízben, akkor a két atom különválik, de a klór magánál tartja a plusz elektront. Ennek következtében a nátrium pozitív (Na+), míg a klór negatív töltésűvé (Cl) válik, viszont az oldat össz töltése semleges marad. Ezeket a töltött atomokat ionoknak hívjuk és stabilak a vízben, annak ellenére, hogy elektromosan töltöttek.

Amikor viszont egy elektron halad keresztül az anyagon, akkor az leadja az energiáját az útvonalán azáltal, hogy a közelében elhelyezkedő atomokkal kapcsolatba lép. A leadott energiát felveszik az elektron útvonalához közeli atomok, melyek vagy gerjesztett állapotba kerülnek (azaz az atom elektronjai magasabb energiaszintű pályákra ugranak), vagy ionizálódnak (azaz leadják egy vagy több elektronjukat).

Az eltérés a közönséges kémiai reakcióktól az, hogy a sugárzás során az atomnak vagy molekulának átadott energia nem csak a legkülső elektronhéjon levő elektronokat tudja kiszakítani, hanem az alacsonyabb pályákon lévőket is, ezáltal az atom nagyon instabillá válik. Ezek az atomok kémiailag nagyon reakcióképesekké válnak, néhányuk olyannyira, hogy csak nagyon rövid ideig, azaz kb. egy mikroszekundumig maradnak ebben az állapotban.

Az X és g sugarak abban különböznek a b részecskéktől, hogy azok először nagysebességű elektronokat bocsátanak ki az atomból. A pozitív töltésű részecskék a b részecskékhez hasonló mechanizmus alapján adják át az energiájukat az atomoknak és molekuláknak. A neutronok azonban valamelyest eltérőek, mivel azok elektromosan semlegesek. Mivel a neutron és a proton közel azonos tömegű, ezért ütközéskor a biliárdgolyók ütközésekor megfigyelhető reakció játszódik le. Az ekkor kisugárzott proton már töltött részecskeként viselkedik.

Az ionizációról az információkat innét fordítottam.

A következő oldalon a gázkisülésekről olvashatsz.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás