Radioaktivitás

A radioaktivitást 1896-ban a foszforeszkáló anyagokkal kísérletező Henri Becquerel francia tudós fedezte fel, amiért 1903-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Úgy gondolta, hogy a katódsugárcső fénye valamilyen módon összefügg a foszforeszcenciával. Különféle foszforeszkáló anyagokat burkolt fekete papírba egy fényképlemezzel együtt, és a fényképlemez feketedését vizsgálta. Nem észlelt feketedést amíg uránsókkal nem próbálkozott. Miután a nem foszforeszkáló uránsókkal próbálkozott, kiderült, hogy a jelenségnek semmi köze sincs a foszforeszcenciához. Kimutatta, hogy a sugárzás intenzitása arányos az urán koncentrációjával, így arra következtetett, hogy ez a sugárzás az uránatom tulajdonsága. Pierre és Marie Curie új, sugárzó elemek után kutatva fedezték fel, hogy a tórium is sugároz. Az uránércből kivontak még két erősebben sugárzó elemet, a polóniumot és a rádiumot. A Curie házaspár nehéz és fárasztó munkájának szemléltetéséül: nyolc tonna uránércből 0,1 gramm rádium nyerhető ki. A Curie házaspár és Ernest Rutherford kísérletei a radioaktív sugárzásnak két összetevőjét mutatta ki: a nagyon rövid hatótávolságú (levegőben kevesebb, mint 1 cm) alfa-sugárzás, és a béta-sugárzás (néhányszor tíz cm levegőben). 1900-ban fedezte fel Paul Ulrich Villard a gamma-sugárzást, amit 10 cm ólom sem bír elnyelni. Később bebizonyították, hogy a gamma-sugárzás valójában nagyenergiájú elektromágneses sugárzás.

Három fontosabb fajtája van. Egyre nagyobb áthatolóképességgel:

1. Alfa-bomlás során az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki. Erősen ionizáló, viszont a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti.
2. Béta-bomlás során az atommagban neutronból lesz proton, elektron kibocsátása közben. Így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás. Közepesen ionizáló hatású, hatótávolsága levegőben pár tíz cm.
3. Gamma-bomlás során energia távozik nagy energiájú fotonként. Az előbbiek kísérőjelensége szokott lenni. Hatótávolsága légüres térben gyakorlatilag végtelen, a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) hatékonyan gyengítik.

Az alábbi táblázat rendszerezi a három fontosabb és több további bomlásfajtát nagyjából csökkenő előfordulási valószínűség szerint rendezve. A az atom tömegszámát (protonok és neutronok együttes száma), Z pedig a rendszámot (protonok száma) jelöli.

Egy adott radioaktív forrás aktivitása megmondja, hogy hány bomlás történik másodpercenként. Mértékegysége a Bq (Henri Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg. Régebbi mértékegység a Ci (Curie), 1 Ci egy gramm rádium aktivitásának felel meg (3,7·10¹⁰ Bq). A radioaktív bomlás teljesen véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó. Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával, amit a következőképp írhatunk föl:

${\displaystyle A=-{\frac {\ dN}{dt}}=\lambda \cdot N}$ 

Ezt integrálva kapjuk a bomlási törvényt:

${\displaystyle N\left(t\right)=N_{0}\cdot e^{-\lambda t}}$ 

Látható, hogy a radioaktív magok száma exponenciálisan csökken. A λ a bomlásállandó: megadja, hogy mekkora valószínűséggel bomlik el egy atommag egy másodperc alatt. Többet használják viszont a T_1/2 felezési időt: ez megadja, hogy mennyi idő alatt bomlik el az összes radioaktív mag fele. A bomlásállandóból a következőképp lehet kifejezni:

${\displaystyle T_{1/2}={\frac {\ln 2}{\lambda }}}$ 

Ha ismerjük egy izotóp felezési idejét, akkor egy adott forrás A aktivitása könnyen meghatározható:

${\displaystyle A={\frac {\ln 2}{T_{1/2}}}\cdot N}$ 

• elsődleges természetes radionuklidok (1)
  • olyan természetes radioaktív magok, amelyek megtalálhatóak a Naprendszer keletkezése óta
  • felezési idejük nagyon hosszú
  • 26 ilyen mag ismert. Például: ²³⁸U ( T=4,47·10⁹ év ), ⁴⁰K ( T=1,28·10⁹ év ), ⁸⁷Rb ( T=4,8·10¹⁰ év )
• másodlagos természetes radionuklidok (2)
  • Olyan magok, amelyek (1) bomlása révén keletkeznek
  • Felezési idejük nagyon rövid, a Naprendszer keletkezése óta nem találhatóak meg
  • 38 ilyen mag ismert. Például: ²²⁶Ra (T=1600 év), ²³⁴Th (T=24,1 nap)
• Indukált természetes radionuklidok (3)
  • állandóan keletkeznek a kozmikus sugárzás hatására
  • 10 ilyen mag ismert. Például: ³H (T=12,3 év), ¹⁴C (T=5730 év)
• mesterséges radionuklidok (4)
  • emberi tevékenység során keletkeztek, a természetben nincsenek számottevően jelen
  • 2000 ilyen mag ismert ⁶⁰Co, ¹³⁷Cs, ²⁴Na

A periódusos rendszerben jelenleg 118 elemet ismerünk. Ebből 37 elemnek nincs stabil izotópja. Ezek az alábbi elemek:

A fizikai hatást az ionizáció váltja ki, ami az elektronokra hat. Az elektronszerkezet megváltozása kémiai hatásként megváltoztatja a molekulákat, amelyek megváltozva a vegyületekben másképpen hatnak a sejtekre. Ez a biológiai változás hat a szövetekre, a belőlük felépülő szervekre, így az emberre is.

A sugárzási energia egyik hatása a DNS lánchasadása.^[2] Két változata van: a közvetlen és a közvetett. A közvetlen: a radioaktív részecske a DNS valamelyik atomjával ütközik, megváltoztatva az ezt tartalmazó nukleobázis kémiai szerkezetét, ami miatt a DNS hosszú lánca megszakad, illetve a gén szerkezete torzul. A közvetett: az eltalált atom ionizációja szabad gyököket hoz létre a sejtmagban, és ezek kémiai reakcióval változtatják meg a nukleobázist, roncsolva a DNS-t. (Az összes radioaktív sugárzás okozta DNS károsodás háromnegyede ilyen típusú.) Ha a sejt nem pusztul el, akkor a keletkezett hibát helyrehozhatja javító enzimekkel. Ha ez sikertelen, akkor az okozott mutáció vagy életképtelen és így elpusztuló, vagy megváltozott örökítő anyagú utódsejteket eredményez.

Egy-két sejt pusztulása nem okoz észlelhető kárt, de ha sok sejt pusztul el egyszerre, akkor az már károsan hat az adott szövet működésére, adott esetben teljesen leáll és/vagy elhalhat. Ilyen hatáshoz csak nagy dózis vezethet, amit determinisztikus hatásnak nevezünk. Következménye lehet a különböző fontos biológiai hatóanyagok pl. enzimek, vitaminok aktivitásának a csökkenése, vagy inaktiválódása, súlyosabb esetben különböző káros, esetleg halálos mutációk.

Néhány DNS-károsodás nem érint kódoló szakaszt, vagy csak inaktív marad további sugárzásig. A károsodás ilyenkor csak az utódokban jelenik meg.

Hogy a sugárzás biológiai hatásait objektíven felmérhessük, megfelelő fizikai mennyiségeket kell definiálni. Így vezették be a dózist, ami a sugárzásból 1 kg anyag által elnyelt energia mennyisége. Mértékegysége a gray (1 Gy = 1 J/kg). A régi, már hatályon kívül helyezett mértékegység a rad (1 rad = 0,01 Gy).

Kísérletileg igazolt tény, hogy a radioaktív sugárzás hatása élő szervezetekre nagymértékben függ a fajtájától és az energiájától. Adott energiájú alfa-részecske több kárt okoz, mint egy ugyanakkora energiájú elektron, vagy egy foton. A különbség a lineáris energiaveszteség (dE/dx) különbözőségében rejlik. Például egy alfa-részecske az energiáját fémben 1 mikrométer alatt adja le, míg ehhez egy gamma-fotonnak akár több centiméterre is szüksége lehet. Emiatt minden fajta sugárzáshoz egy koefficienst rendelünk – a biológiai hatásosságot (RBE – Relative Biological Effectivity). A dózis és a biológiai hatásosság szorzata az ekvivalens dózis, aminek a mértékegysége a sievert (Sv).

A radioaktív sugárzás hatása azonban az érintett szerv típusától is függ. Minden szervhez egy koefficiens tartozik, ami nem függ a sugárzás fajtájától és energiájától. Így az effektív dózis egy adott szervre egyenlő az ekvivalens dózis és a szerv koefficiensének szorzatával.

Egy embert Magyarországon átlagosan évi 3,1 (más forrás szerint 2) mSv természetes eredetű dózis ér, ami a levegőben lévő radonból és a kozmikus sugárzásból ered. Ehhez adódnak például a röntgenvizsgálatok hatásai. A nem természetes forrásból származó sugárzás megengedett lakossági effektív dózisa az érzékeny belső szervekre 1 mSv/év, de a végtagoknál és a bőrfelületet kívülrő érő sugárzásnál ez a határ 50 mSv/évre emelhető. Sugárzó anyagokkal dolgozóknál a hosszútávú megengedett dózishatár 20 mSv/év, rövidebb távon 50 mSv/év, végtagoknál és bőrnél 500 mSv/év.^[3]

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.

²³⁸U-család, (másnéven urán–rádium sorozat, zárójelben a felezési idők):
²³⁸U (4,468·10⁹ év), ²³⁴Th (24,1 nap), ²³⁴Pa (6,70 óra), ²³⁴U (245 500 év), ²³⁰Th (75 380 év), ²²⁶Ra (1602 év), ²²²Rn (3,8235 nap), ²¹⁸Po (3,10 perc), ²¹⁴Pb (26,8 perc) és ²¹⁸At (1,5 s), ²¹⁴Bi (19,9 perc) illetve ²¹⁸Rn (35 ms), ²¹⁴Po (164,3 µs) és ²¹⁰Tl (1,30 perc), ²¹⁰Pb (22,3 év), ²¹⁰Bi (5,013 nap), ²¹⁰Po (138,376 nap) és ²⁰⁶Tl (4,199 perc), ²⁰⁶Pb (stabil).

²³⁵U-család, (másnéven aktínium sorozat, zárójelben a felezési idők):
²³⁵U (7,04·10⁸ év), ²³¹Th (25,52 óra), ²³¹Pa (32 760 év), ²²⁷Ac (21,772 év), ²²⁷Th (18,68 nap), ²²³Fr (22,00 perc), ²²³Ra (11,43 nap), ²¹⁹Rn (3,96 s), ²¹⁵Po (1,781 ms), ²¹¹Pb (36,1 perc) és ²¹⁵At (0,1 ms), ²¹¹Bi (2,14 perc), ²⁰⁷Tl (4,77 perc) és ²¹¹Po (516 ms), ²⁰⁷Pb (stabil)

²³²Th-család, (másnéven tórium sorozat, zárójelben a felezési idők):
²³²Th (1,405·10¹⁰ év, ²²⁸Ra (5,75 év), ²²⁸Ac (6,25 óra), ²²⁸Th (1,9116 év), ²²⁴Ra (3,6319 nap), ²²⁰Rn (55,6 s), ²¹⁶Po (0,145 s), ²¹²Pb (10,64 óra), ²¹²Bi (60,55 perc), ²¹²Po (299 ns) és ²⁰⁸Tl (3,053 perc), ²⁰⁸Pb (stabil)

²³⁷Np-család, (másnéven neptúnium sorozat, zárójelben a felezési idők):
²³⁷Np (2,14·10⁶ év), ²³³Pa (27 nap), ²³³U (1,592·10⁵ év), ²²⁹Th (7,34·10⁴ év), ²²⁵Ra (14,9 nap), ²²⁵Ac (10,0 nap), ²²¹Fr (4,8 perc), ²¹⁷At (32 ms), ²¹³Bi (46,5 perc), ²⁰⁹Tl (2,2 perc), ²⁰⁹Pb (3,25 óra), ²⁰⁹Bi (1,9·10¹⁹ év), ²⁰⁵Tl (stabil)

Élőlények maradványainak a korát a bennük található radioaktív ¹⁴C izotóp (a felezési ideje 5700 év) koncentrációjából lehet meghatározni. A magas légkörben folyamatosan keletkező ¹⁴C izotóp (radiokarbon) beépül az élő szervezetbe. Az élőlény kimúlása után az anyagcsere megszűnik, és a ¹⁴C/¹²C izotóparány csökkenni kezd, mivel a kémiai tulajdonságokat meghatározó rendszám azonos, ezért az arány csupán a bomlás miatt változik meg. A maradványból kinyert szén megváltozott izotópösszetételéből következtetni lehet a maradvány korára. Ez a módszer kb. 40-50 ezer évig használható durván 10%-os pontossággal (ezen idő elteltével a ¹⁴C szinte teljesen eltűnik a maradványból).

Megjegyzés: bizonyos korrekciókkal a radiometrikus kormeghatározás pontossága nagymértékben növelhető, de ennek feltételei nem mindig teljesülnek. A radiokarbonos módszerhez pl. kiváló kalibrációs lehetőséget adnak a fák évgyűrűinek elemzései.

Más radionuklidokkal más korszakokat lehet vizsgálni (például: a ²³⁵U/²³⁸U arányból is meg lehet állapítani a Föld korát).

Borok és egyes elzárt vízrétegek korát a bennük lévő trícium arányából határozzák meg.

A radioaktív nyomkövetés vagy nyomjelzés, amelyet Hevesy György dolgozott ki, a következőn alapszik: a rendszerben levő bizonyos elem egy részét ugyanazon elem radioaktív izotópjára cseréljük. Ettől kezdve különböző detektorokkal lehet követni az elem mozgását a rendszerben. Ily módon a pajzsmirigy működését, (a pajzsmirigybe radioaktív jódot viszünk), az erek átjárhatóságát, a növények tápanyagcseréjét (radioaktív foszforral) lehet vizsgálni.

Az izotópos füstjelző berendezések működésének elve, hogy a kis áthatoló képességű alfa-részecske a levegőben lebegő szilárd részecskéken (magyarul füst) nagy mértékben elnyelődik, így az átfolyó áram hirtelen lecsökken.

Megjegyzés: Az alfa-részecske kétszeresen pozitív, de nem sugárzó izotóp. Az aktív izotóp bocsátja ki az alfa részecskét, így az izotóp felezési idejétől függően, hosszú ideig egy állandó átfolyó áramot tart fenn. Ezt a tulajdonságát használják ki a pacemakerekben, hiszen így a beteget nem kell maximum 5-10 évente egy nyílt mellkas műtétnek kitenni, amit egy normál elem cseréje okozna.

Az atomerőművek központi része az atomreaktor ahol a kontrollált láncreakció zajlik.

A radioaktív anyagok tárolását és szállítását szigorú szabályok és paraméterek határozzák meg, különleges kialakítású tárolólétesítmények és szállítóeszközök használhatók kizárólag erre a célra, melyek árnyékolják a káros sugárzást. Ettől függetlenül ritkán, de volt példa radioaktív izotópkapszulák elhagyására, melyeket civilek megtalálva hazavittek, maguk és mások halálát okozva, ezért az ilyen kapszulákra a radioaktivitásra figyelmeztető jelzéseken kívül a Drop & Run felíratot is ráírják, ami annyit tesz: Tedd le és fuss! Halálos kimenetelű „hazavitelre” 1962-ben Mexikóvárosban és 1984-ben Marokkóban is volt példa, 2023 elején pedig egy ausztrál bányavállalat hagyott el szállítás közben egy ilyen, mindössze 6×8 mm-es kapszulát a sivatagban az út mellett, amit később meg is találtak, személyi sérülés nélkül.^[4][5]

1. ↑ Fülöp József: Rövid kémiai értelmező és etimológiai szótár. Celldömölk: Pauz–Westermann Könyvkiadó Kft. 1998. 123. o. ISBN 963 8334 96 7  
2. ↑ Kelemen – Klimkó: Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. [2016. március 5-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2015. május 4.)
3. ↑ Varga József: Orvosi - biológiai izotóplaboratóriumok sugárvédelme (tankonyvtar.hu)
4. ↑ Aki egy ilyen feliratot közelről tud olvasni, jobb, ha teljes erőből futni kezd vezess.hu, 2023. február 2.
5. ↑ Véget ért a hajsza, megtalálták a radioaktív kapszulát Index, 2023. február 1.

• Marx György: Atommag-közelben
• Ray Mackintosh – Jim Al-Khalili – Björn Jonson – Terra Pena: Az atommag – Utazás az anyag szívébe
• Fizikai Szemle: A radioaktivitás felfedezése
• A radioaktivitás (sulinet)
• A sugárzás - muszakiak.hu - a műszaki portál

• Magyarított sztochasztikus Flash szimuláció az exponenciális bomlástörvényről 500 atommal. Szerző: David M. Harrison
• Magyarított sztochasztikus Java szimuláció az exponenciális bomlástörvényről 4550 atommal. Szerző: Wolfgang Bauer
• Flash prezentáció a fő bomlássorok egyikéről, hangsúlyozva a fő bomlásmódokat (α, β), plusz egy-egy ábra mind a 4-ről.
• Flash prezentáció a fő bomlássorok egyikéről, hangsúlyozva a ritka bomlásmódokat (SF, klaszter, βn), plusz egy-egy ábra mind a 4-ről.
• Magyarított Java szimuláció a négy fő bomlássor atomszámainak időbeli változásáról. Szerző: Yevgeniy Miretskiy