Hogyan lehet egy több ezer éves széntartalmú régészeti lelet korát meghatározni?

Hogyan működik a füstérzékelő szenzor?

Miért veszélyes még évek múlva is az élő szervezetek számára egy atombomba felrobbantása?

Miért van az, hogy láthatatlan sugárzással gyógyíthatunk is?

Ebben a témakörben a radioaktivitással fogunk megismerkedni, azon belül is a sugárzások fajtáival, az izotópokkal és azzal, hogy mire használtuk és használjuk ma is a radioaktivitás jelenségét.

A radioaktivitást Henri Becquerel fedezte fel 1896-ban. Becsomagolt fényképlemeze megfeketedett az urántartalmú anyagtól, mely így nyomot hagyott a lemezen.

Pierre Curie és felesége, Marie Curie új sugárzó anyagok után kutattak. Kutatásaik során uránszurokérc tonnáit dolgozták fel, melyből kivontak két erősen sugárzó elemet.

Az elsőt a szülőföldjükől (Lengyelország) polóniumnak (₈₄Po), a második új elemet pedig rádiumnak (₈₈Ra) nevezték el, mivel szokatlanul erős sugárzást bocsátott ki.

A radioaktivitás a nem stabil (úgynevezett radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. A radioaktív sugárzás lehet alfa-, béta- és gamma-sugárzás.Az alfa-sugárzás nagy tömegű pozitív töltésű részecskéből áll, melyeket két proton és két neutron alkot.A béta-sugárzás elektronokból álló sugárzás.A gamma-sugárzásban nincs kimutatható tömegű vagy töltésű részecske. A gamma-sugárzás nagy frekvenciájú elektromágneses hullámokból álló sugárzás. Az alfa- és a béta-sugárzás kísérőjeként jelenik meg. A gamma-sugarak előidézhetnek égési sebeket, rákos daganatokat és genetikai elváltozásokat.

Alfa-bomlásnak nevezzük azt a folyamatot, melynek során az atommagból alfa-részecske szabadul ki. Az alfa-bomlás során kémiai átalakulás történik. ahol X: vegyjel; A: tömegszám; Z: rendszám.

Béta bomlás során az atomban lévő neutron protonná alakul, miközben elektron és antineutrínó távozik. A béta-bomlás is kémia átalakulással jár. ahol n: neutron, p: proton, e-: elektron, : antineutrinó.

A gamma-sugárzás nagy frekvenciájú elektromágneses hullámokból álló sugárzás. Itt nem történik kémiai átalakulás. Általában követi az alfa- vagy béta-bomlást.

Helyezzük el az elektromágneses spektrumban a számunkra legveszélyesebb gamma-sugárzást. A gamma-sugárzás a rövidebb hullámhosszú sugárzási tartományba tartozik. Érdemes megnézni, hogy hullámhosszúság szerint növekvő sorba rendezve következnek a röntgensugarak, melyek nagy dózisban szintén károsítják szervezetünket. Ezt követik a hosszabb hullámhosszú sugárzási tartományok: ultraibolya, látható fény és infravörös tartomány, majd a mikrohullámok és végül a legnagyobb hullámhosszú rádióhullámok.

külső hatás nélkül keletkezikerőssége az elem mennyiségétől függfizikai és kémiai változások nem befolyásoljákkémiai hatása van, megfeketíti a filmetionizáló hatása vanaz élő sejteket károsítja, genetikai mutációt okoz

Azokat a reakciókat nevezzük magreakcióknak, amelyek az atommagok átalakulásával járnak. Az így felszabaduló energiát atomenergiának nevezzük.Ha a nehéz radioaktív atomokat neutronokkal sugározzuk be, akkor instabil atomjai széthasadhatnak. Ha például egy hasadásra képes 235-ös uránizotópot neutronbesugárzás ér, akkor 236-os uránizotóppá alakul. Ez a mag nem stabil, ezért 92-es kripton- és 142-es báriumizotóppá hasad. Ez a folyamat a maghasadás.Melléktermékként szabad neutronok keletkeznek. Ezek a neutronok további uránatomokat hasítanak szét, ezért beindul egy láncreakció, melynek során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. Az atomerőművekben ezt a láncreakciót neutronelnyelő rudak behelyezésével szabályozzák.

Az ukránok legnagyobb tragédiája a csernobili atomerőmű katasztrófája. Az 1986. április 26-án történt robbanás következményeinek azonnali elhárításában közreműködő 350 ezer ember közül több mint 12 ezer már nem él. A radioaktív bomlás következtében több százezren szenvedtek radioaktív sugárzást. Azok körében, akik még életben vannak, pajzsmirigydaganatot és egyéb rákos megbetegedéseket diagnosztizáltak.

A természetes szén például 3 izotóp keveréke: 146C, 136C és 126C.A nem stabil izotópok atommagjai idővel maguktól átalakulnak.A periódusos rendszerben található kémiai elemek egy részének csupán egyetlen stabil izotópja létezik. Ezeket az elemeket monoizotópos elemeknek nevezzük. Ilyen például a foszfor, az alumínium, az arzén, az arany és a ródium.

Azokat az atomokat, amelyeknek azonos a rendszáma, de különböző a tömegszáma, izotópoknak nevezzük. Elnevezésük a periódusos rendszerben elfoglalt azonos helyből származik.

Izotópok százalékos gyakoriságának kiszámítása

A természetes réz kétféle izotóp keveréke, amelyben 15000 rézatom keverékében van 10350 darab réz-63-atom (6329Cu) és 4650 darab réz-65-atom (65 29 Cu). Számítsuk ki a két rézizotóp százalékos gyakoriságát! A 63-as tömegszámú rézizotóp esetén a 10350-et elosztjuk 15000-rel és megszorozzuk 100-zal: A másik rézizotóp gyakoriságát úgy kapjuk meg, hogy a 63-as rézizotópra kapott értéket kivonjuk a 100%-ból. Az eredmény 31%.

Számítsuk ki a természetes klórban az izotópok százalékos gyakoriságát!

A klórnak kétféle izotópja van, a 35-ös és a 37-es izotóp.•a klór-35 izotóp relatív atomtömege: 35•a klór-37 izotóp relatív atomtömege: 37Ha x-szel jelöljük a klór-35 relatív gyakoriságát, akkor •a klór-37 izotóp relatív gyakorisága: 1-xEzt követően a klór átlagos atomtömegét a következő kifejezés adja meg: Levezetve az egyenletet: Ezért x = 0,75 és 1-x = 0,25, tehát:•a klór-35 izotóp gyakorisága: 0,75•100 = 75%•a klór-37 izotóp gyakorisága: 0,25•100 = 25%

A radioaktív elemek családokba sorolhatók, melyben egymást követő bomlások sorozata játszódik le, míg végül egy stabil izotóp keletkezik.

Nézzük meg az urán 238-as izotópjának bomlását az atomtömegek figyelembevételével. Az alfa-bomláskor alfa-részecske, vagyis két protonból és két neutronból álló részecske távozik az atomból, így a tömegszám néggyel csökken.Béta-bomláskor az atomban lévő neutron protonná alakul, miközben elektron és antineutrínó távozik, így a tömegszám nem változik.

A radioaktív izotópok nem stabilak, könnyen bomlanak. A bomlási sebességüket a felezési idejükkel jellemezzük.

Például a 131-es jódizotóp mennyisége 8 nap alatt csökken a felére. Újabb 8 nap elteltével az eredeti mennyiség negyedére csökken. Ha 8 nap eltelte után újra megvizsgáljuk, már csak az eredeti mennyiség 1/8-ad része lesz meg. Minden izotópnak más és más a felezési ideje. Például a 14-es szénizotópnak 5730 év a felezési ideje, a 238-as uránizotópnak pedig 4,5•10⁹ év:146C T1/2 = 5730 év23892U T1/2 =4,5•109 évA tapasztalat szerint bármely sugárforrás aktivitását állandó időközönként vizsgálva az aktivitás minden esetben ugyanolyan hányaddal (mértani sorozatként) csökken.

Azt az időt, amely alatt egy radioaktív anyagban a radioaktív magok száma a kezdeti érték felére csökken, felezési időnek nevezzük. Jele: T_1/2.

1. Egy gázfelfogó hengert töltsünk meg klórgázzal (KMnO4-re csöpögtessünk sósavat) és fedjük le üveglappal!2. Egy másik hengert durranógázpróba elvégzése után töltsünk meg hidrogéngázzal és fedjük le üveglappal!3. A hidrogénnel telt hengert nyílásával lefelé helyezzük a klórgázzal teli hengerre, majd távolítsuk el az elválasztó üveglapokat a két henger közül!4. A hengerek száját egymáshoz szorítva jobbra-balra döntve, forgatva elegyítsük a gázokat, majd a két hengert közel vízszintesen tartva vigyük a Bunsen-égő lángja közelébe!5. Hirtelen mozdulattal húzzuk szét a hengereket a láng előtt!6. A reakció elvégzése után tegyünk a hengerekbe megnedvesített kék lakmuszpapírt!

A két gáz éles csattanó hang kíséretében egyesül. A reakció elvégzése után a hengerbe tett megnedvesített kék lakmuszpapír színe piros lett.

Aktiválási energia (hő vagy ultraibolya fény) hatására láncreakció indult meg. Gerjesztés hatására a klórmolekula atomjaira esett szét.A savas kémhatást a reakció során keletkező oxóniumionok okozzák.A reakció egyenlete:

A Nap központi magjában percenként több százmillió tonna anyag alakul át, és közben óriási energia keletkezik. A Nap annyi energiát sugároz a Földre egy óra alatt, ami az emberiség körülbelül négyévnyi energiaszükségletét tudná fedezni.Míg az atomreaktorokban a maghasadás okozza az energiafelszabadulását, addig a Napban a fúziós folyamat az energiatermelő. A fúziós folyamatban proton-proton reakció zajlik le, melynek során hidrogénatomok magjai (vagyis protonok) egyesülnek, és héliumatommagok jönnek létre (pp-ciklus).

A jelenlegi kutatások ilyen fúziós reaktor megépítésére irányulnak. A jövő század nukleárisenergia-forrásaként tartják számon a magfúzió lehetőségét, azonban e területen még számos probléma megoldása várat magára.Fúziós folyamat játszódik le a hidrogénbomba robbanásakor is.

Teller Ede (1908-2003) magyar-amerikai atomfizikust a hidrogénbomba atyjának is nevezték a hidrogénbomba-kutatásokban való aktív részvétele miatt.Érdemei közzé tartozik, hogy felismerte az urán-grafit-víz típusú reaktorok veszélyforrását (Teller-effektus), és sikerült leállíttatnia az USA-ban az olyan grafitos reaktorok működtetését, mint amilyen például később a csernobili erőmű lett.

Magyarországon az embert érő dózis több mint 80%-a természetes forrásból származik. A természetes légköri radioaktivitás tulajdonképpen két forrásból táplálkozik. Az egyik forrást a földfelszínen és a vizekben lévő rádiumizotópok bomlástermékeként keletkező nemesgáz radonizotópok képezik. A másik forrás a felülről érkező nagy energiájú kozmikus sugárzás, amely a levegőben lévő atomok magjaival kölcsönhatásba lép és ennek eredményeként radioaktív izotópok is keletkeznek.Az emberi szervezetet érő sugárterhelés külső, vagy belső forrásból származhat.

A külső sugárterhelés a külső forrásokból közvetlenül származó sugárterhelés. A belső sugárterhelés a táplálékláncon keresztül, vagy belégzéssel az ember szervezetébe bejutott radioaktív izotópok sugárzásából származó sugárterhelés.Gyakran használt SI-mértékegység a millisievert (1 mSv = 10^-3 Sv = 0,001 Sv) és a mikrosievert (1 μSv = 10^-6 Sv = 0,000001 Sv).Példák mesterséges dózisra:fogászati röntgenfelvétel: 5 μSvmammográfia-felvétel: 3 mSvkomputertomográfiai felvétel az agyról: 0,8-5 mSvkomputertomográfiai felvétel a mellkasról: 6-18 mSv

A nukleáris elektromosenergia-termelés alapja jelenleg az atomreaktorban a maghasadás által termelt hő. Az így előállított gőz a turbinákat működteti, és a turbinákkal meghajtott generátorok segítségével állítják elő az elektromos áramot. A fűtőanyag valamennyi reaktortípus esetében az urán, amellyel egységnyi fűtőanyagra számítva lényegesen nagyobb mennyiségű energia állítható elő, mint a hagyományos erőművekben.Az egyes országokban az atomerőművekben termelt elektromos energia aránya eltérő. Ebben a vonatkozásban Franciaország vezet, ahol mintegy 77%-ra tehető a körülbelül 40 atomerőmű által termelt elektromos energia. Magyarországon az egyetlen paksi atomerőmű termeli az elektromos energia közel 40%-át.A fukusimai katasztrófa (2011. március 11.) után világszerte fordulat állt be az atomenergia megítélésében: az óvatos elfogadást a nagymérvű elutasítás váltotta fel.

A nagy energiájú béta- és gamma-sugárzás károsítja és elpusztítja az élő sejteket. A rákos sejteket a sugárzás erősebben roncsolja, ezért az ilyen sugárzást kibocsátó radioaktív izotópokat a daganatos betegségek gyógyítására használják fel.

Ilyen izotóp a kobalt-60 vagy a cézium-137. E hatás elsősorban a DNS károsításán alapul. A DNS-molekulák lánca, az azt összetartó kémiai kötések közvetlenül a sugárzás hatására, vagy közvetett módon, a sugárzástól képződő szabad gyökök hatására károsodik. A gyorsan osztódó sejtek érzékenyebbek a sugárhatásra és a DNS-károsodásra. Ezért használható fel az ionizáló sugárzás daganatok kezelésére.

A radioaktív izotópok nem stabilak, könnyen bomlanak. A bomlási sebességüket a felezési idejükkel jellemezzük.Például a 14-es szénizotóp esetén:Ha a kozmikus sugárzás során egy nitrogénatom egy neutronnal ütközik, akkor belőle radioaktív izotóp, szén-14 képződik. Ez az izotóp a felezési idejének megfelelően lebomlik. A képződés és a lebomlás egyensúlyban van egymással, ezért e légkörben lévő szén-14-koncentráció közel állandó. A belélegzett szén-dioxidból az izotóp bekerül az élő szervezetbe, így a környezetben ugyanabban az arányban található meg, mint a szövetekben. Ha az élőlény elpusztul, akkor megszűnik a szénanyagcsere, így az izotóp aránya az eltelt időnek megfelelően csökkenni kezd. Egy 5700 éves múmiában feleannyi szénizotóp van, mint egy mai élőlényben.

Az ionizációs füstérzékelő kamrájában kis aktivitású radioaktív izotóp ionizálja a levegőt. Amikor a kamrába füstrészecskék jutnak, csökken az ionizáció, ezt észlelve keletkezik a riasztás. Ez a füstérzékelő a teljes füstspektrumot észleli, tehát sokféle égést jelez.

A sugárzások egyik ipari alkalmazása az anyagok rétegvastagságának mérése. Ennek lényege, hogy a rétegen áthaladó sugárzás mért intenzitásának változásából következtetni lehet a réteg vastagságára.

A radioaktív sugárzások sejtpusztító hatását használják fel az élelmiszeriparban és az egészségügyben csírátlanításra és sterilizálásra. Az így kezelt élelmiszer nem válik radioaktívvá.

Egyes radioaktív izotópok felhasználhatók az élő szervezeten belüli nyomkövetésre. Ha például a radioaktív jodidion bejut a szervezetbe, akkor az a pajzsmirigyben halmozódik fel. Mivel az egészséges és a beteg, rákos sejtek különböző módon veszik fel az izotópot, így jól láthatóvá válnak. Nobel-díjas tudósunk, Hevesy György dolgozta ki a radioaktív nyomkövetés elvét.

Az emberiség, megismerve az atomenergia titkát, sajnos nemcsak az emberek javára, hanem pusztításra is használta.A II. világháborúban 1945. augusztus 6-án urántartalmú atombombát dobtak Hirosimára, majd 3 nap múlva plutóniumbombát Nagaszakira. Mindkét robbanás óriási pusztítást okozott.A Hirosimát leromboló bomba robbanóereje 20 kilotonna volt, amely azt jelenti, hogy annyi energia szabadult fel, mint 20 ezer tonna TNT robbanásakor.