Rutherford kísérlet. Az atommag mérete

A mag szerkezete: protonok és neutronok

A radioaktív sugárzás. Spontán magátalakulások

A radioaktív bomlások formái, bomlási sorok

Radioaktív sugárzások élettani hatásai

 

Rutherford kísérlet. Az atommag mérete.

 

Rutherford kísérlet (1911): Az a-sugarak szóródása:

Kísérlet leírása: Evakuálható dobozban radioaktív preparátum (a-sugárzó), diafragma, 1 mm vastag aranyfólia. A kör alakú szcintillációs ernyő segítségével minden irányban van lehetőség mérni az a-sugárzást. Tapasztalat: a sugárzást adott eloszlásban, minden irányban lehetett tapasztalni.

Kvalitatív értelmezés: Az a-sugárzás áthaladása az arany fólián arra utal, hogy nem teljesen tömör (sőt elég „hézagos”) az atomrács. A visszaszórás szögeloszlása pedig úgy értelmezhető, hogy a pozitív a-részecskék, pozitív atomi részekről „pattantak” vissza. Az arany atomoknak létezik egy elég kicsi, pozitív magja.

Kvantitatív következtetés: Az a-részecskék 7000-szer nagyobb tömegűek az elektronhoz viszonyítva. Nagyrészük áthatol a fólián. Rutherford által levezetett szórási formula megegyezett a mérések eredményével

                 (a3.1)

 

 

Mérhetők a következő mennyiségek: Dn, n, u, vo, e, m. A Z’ (Au, Cu, Ag, Pt esetében) a rendszám, feltételezés a magtöltésszám szintén ennyi. A levezetés feltételezi, hogy létezik mag, töltése pozitív és azonos nagyságú az elektronfelhőjével. A mag átmérője a mechanikai energia megmaradás tételének alkalmazásával számolható:

 

A mag szerkezete: protonok és neutronok

 

Az atommag szerkezetére utaló kísérleti tapasztalatok:

1. Léteznek izotópok, azaz azonos kémiai tulajdonságú elemek, viszont nem azonos tömegűek. Tömegspektroszkóppal szétválaszthatók.

2. Van “hétköznapi” víz: H216O, 0oC, 100oC, 4oC, és nehézvíz: D216O, 3,81oC, 101,4oC, 11,2oC.

3. Bothe, Becker (1930) nagy áthatolóképességű sugárzást tapasztal. Ez a sugárzás protont tud kilökni, maga a ködkamrában nem hagy nyomot.

4. Chadwick (1932) beriliumra a-sugárzást bocsátott, a kilépő sugárzás semleges, a protonnal (hidrogén ion) azonos tömegű részecskékből áll. Neve ezért neutron.

             (a3.3)

 

Elektromosan, mágnesesen nem téríthető el. Vízben erősen abszorbeálódik, mivel a vízben sok a hidrogén, amivel ütközik.

Értelmezés: az atomok magja tehát pozitív protonokból (Z) és semleges neutronokból (A-Z) áll. Ezek tömege kb.1840-szer nagyobb az elektron tömegénél. Atomi tömegegység: (ATE) = 1/12 m(12C)= 1,66 10-27kg.

                             (a3.4)

 

A nehéz magok sugara (R), térfogata (V):

                 (a3.5)

 

A protonok (Z) és a neutronok (A-Z) száma a kis rendszámú elemek magjában általában azonos. A nagyrendszámú elemek esetében ez az arány eltolódik a neutronok javára.

A nehéz magok nukleonsűrűsége állandó, független a tömegszámtól, értéke:

       (a3.6)

 

Nukleáris kölcsönhatás: töltésfüggetlen, vonzó, igen rövid hatótávolságú (), igen erős (kb. 1000 erősebb, mint a Coulomb-kölcsönhatás).

Kötési energia: Az az energia, amit be kell fektetni ahhoz, hogy az atommagot nukleonjaira felbontsuk. Nagyságrendje: 1 pJ (az atomhéjbeli elektronoké 1 aJ). Ha különálló nukleonokból atommag épül fel, a kötési energiának megfelelő energia felszabadul: eltávozik a kölcsönhatás színhelyéről egy foton (mezon) formájában; mf mennyiségű tömeg hiányzik az alkotórészek össztömegéből:

                     (a3.7)

 

A kisugárzott energia:

 

A radioaktív sugárzás. Spontán magátalakulások

 

A radioaktivitásra utaló kísérleti tapasztalatok:

1. Becquerel (1896-97) A radioaktivitás felfedezése (1896). Uránsók exponálják a fotolemezt.

2. P. Curie (1859-1906) M. Sklodowska (1867-1934) Nagyon erősen radioaktivitást mutató elemek felfedezése (uránszurokércből, 1898-1900) Z=84 polonium, Z=88 rádium, (10 tonna érc - 0,3 mg rádium), Ezenkívül: tórium (90), aktinium (89), radon (86, nemesgáz).

3. Az “új sugárzás” szisztematikus vizsgálata: A mintákból jövő sugárzásokat elektromos és mágneses téren átvezetve három különböző részre bomlanak. Elektromosan pozitív (a-sugárzás) negatív (b-sugárzás) és semleges komponensek (g-sugárzás) különíthetők el.

 

Értelmezés: Az elektromos és a mágneses térben történő eltérülésből az a és a b sugárzás korpuszkuláris voltára lehetett következtetni. Az a sugárzás He++ ionokból, a b-sugárzás pedig elektronokból áll. A g-sugárzás elektromágneses tér, (X-sugárzás, vagy röntgensugárzás).

 

A radioaktivitás fizikai mennyiségei

 

Def.: Aktivitás: Az aktivitás megadja a másodpercenként elbomló atommagok számát. Egysége 1Bq= 1 1/s. Kiszámítása:              (a3.9)

 

Def.:  Felezési idő: Az el nem bomlott atommagok száma – a folyamatos bomlás következtében – azonos időközönként megfeleződik. Ezt az időközt felezési időnek nevezzük. Jele: T_f , egysége : másodperc, perc , óra , …, év.

 

Def.:  Bomlási állandó: Az atommagokra bomlási sebességére jellemző mennyiség. Jele: λ , egysége 1 1/s. A bomlási állandó fordítva arányos a felezési idővel. A két mennyiség közötti összefüggés:

T_f = 0,69/λ.          (a3.10)

 

Bomlási törvényszerűségek

Tétel: Differenciális bomlási törvény: Valamely radioaktív elem A aktivitása egyenesen arányos az elemben található bomlatlan atommagok számával. Az arányossági szorzó a bomlási állandó. Az aktivitás az m tömeggel is arányos, így felírható az alábbi összefüggések:

 

.            (a3.11)

 

Tétel:  Radioaktiv sugárzás csillapodása: Integrális bomlási törvény: A differenciális törvényből kifejezhető hogyan csökken t idő elteltével az N bomlatlan atommagok száma: (e = 2,71  természetes szám). N számú radioaktív atomból, Dt idő alatt elbomlik DN darab, és ez függ az anyagtól, amit a csillapodási állandó (l) fejez ki. A felezési idő (T1/2) fogalommal szokásos ezt a változást jellemezni:

               vagy    ,

 

 

A radioaktív bomlások formái, bomlási sorok

 

Def.: Radioaktivitás (radioaktív bomlás): instabil atommagok kisebb energiájú állapotba való átmenete külső hatás nélkül, ami sugárzással (részecskék kibocsátásával) jár együtt.

               b-bomlás (negatív béta-bomlás),

               elektronbefogás (K-befogás): fordított b-bomlás

               pozitív b-bomlás,

               a-bomlás,

               g-bomlás.

 

Def.: A bétabomlás formái, neutrinó, univerzális gyenge kölcsönhatás

 

- b-bomlás (negatív béta-bomlás), magfolyamat, amely során a mag valamelyik neutronja protonná és elektronná alakul át, amely elektron azonnal elhagyja a magot (b-sugárzás). miközben a Z rendszám eggyel nő, az A tömegszám változatlan marad. Antineutrinó keletkezik. A béta-sugárzást a nagyenergiájú (100 keV-1MeV) béta- elektronok alkotják A mag energiacsökkenése a keletkezett részecskék kinetikus energiáját fedezi:

               általában      (a3.13)

Konkrét példa: 14-es szén izotóp mag bomlása nitrogénre        

 

- elektronbefogás (K-befogás): a mag az atomi elektronok közül (rendszerint a belső, ún. K-héjról) egyet befog, s vele egy protonja neutronná alakul (fordított b-bomlás), miközben a Z rendszáma eggyel csökken, az A tömegszáma változatlan marad. Neutrinó keletkezik, felszabadul energia:

                    általában        (a3.14)

 

- pozitív b-bomlás, a magban egy proton az elektronnal egyenlő tömegű, ellenkező előjelű (pozitív) elemi töltésű elemi részecske (un. pozitron) kilövelésével neutronná alakul. A folyamat végeredménye töltésvándorlás szempontjából az elektronbefogásával azonos:

                általában        (a3.15)

 

Def.: Alfa bomlás egy (nagy tömegszámú) mag egy hélium atommagot (kétszeresen ionizált hélium iont, a-részecske) bocsát ki, eközben a Z rendszáma kettővel, az A tömegszáma pedig 4-gyel csökken (eltolódási törvény). Felszabadult energia:

            (a3.16)

Konkrét példa: rádium bomlása radon gázzá.   .    (a3.17)

 

Def.:  Gamma-sugárzás: g-bomlás a gerjesztett atommag alapállapotba kerül. A kisugárzott elektromágneses hullám (foton) viszi el a fölös energiát. Az a- és a b-bomlást gyakran követi g-bomlás ui. az átalakult mag sokszor gerjesztett állapotú.

 

Radioaktív bomlási sorok (családok):

A természetben előforduló radioaktív nehézatommagok bomlási sorokba rendezhetők, melyeknek névadója a kezdő őselem (vagy a végső stabil elem). Egy-egy családon belül a tömegszámok 4-gyel, vagy 0-val változnak meg, így a néggyel való osztáskor a maradékok ugyanazok. Ennek megfelelően négy bomlási sor lehetséges:

4n–sor: tórium-sor:

őseleme:  tórium (T_f =14 milliárd év), végső elem: ólom.

4n +1 sor: neptúnium-sor:

őseleme: neptúnium (T_f=2,2 millió év), stabil végső elem: .

4n+2 sor: urán-sor:

őseleme:  urán (T_f =4,5 milliárd év), stabil elem: ólom.

4n +3 sor: aktínium-sor:

őseleme: urán (T_f =710 millió év) stabil végső elem: .

 

Radioaktív sugárzások élettani hatásai

 

A sugárzások ionizáló hatása

A nagy energiájú alfa-, béta-, gamma- részecskék elektronokat löknek ki az anyag semleges atomjaiból, molekuláiból, így negatív és pozitív töltésű részecskék keletkeznek az anyagban. Ezt nevezzük a sugárzások ionizáló hatásának. Az ionizáló hatás alapján detektálhatjuk, mérhetjük a sugárzásokat, valamint értelmezhetjük azok élettani hatásait.

 

Dozimetriai mennyiségek

A radioaktív sugárzások élettani hatása molekuláris szinten értelmezhető, amikor is figyelembe vesszük az élő anyag sejtjeiben keletkező szabad ionok (gyökök) mennyiségét, a DNS-ben lévő kötések felszakadását. Ezen molekuláris változások vezethetnek a sejt egyedi működési zavaraihoz és az örökítő anyag károsulásához.

A sejt szinten történő károsulások következményeként a sugárzást kapott élő egyednél megjelenő tünetek, panaszok, megbetegedések súlyossága szoros kapcsolatban van az élő anyagban elnyelődött sugárzási energia mennyiségével. Ezek kvantitatív jellemzésére vezették be a különféle sugárdózisokat.

 

Elnyelt dózis: Az egységnyi tömegű anyag által elnyelt energiát mutatja meg. Az elnyelt dózis egysége: , az egység neve: gray (ejts: gréj):

         .     (a3.19)

 

Dózisegyenérték: Az élő anyag által elnyelt sugárzási energia biológiai hatása függ az elnyelt sugárzás fajtájától is. Így a hatás sugárzás fajtájától való függésének jellemzésére egy Q minőségi tényezőt használnak, amely a különböző sugárzási fajtáknál más és más.(Q = 1 gamma-, röntgen-, béta-sugárzásnál. Q = 20 alfa-sugárzásnál. Q = 10 neutron sugárzás esetén).

 

Így a biológiai hatást jobban kifejező dózis fajta a dózisegyenérték (régebbi elnevezése: ekvivalens dózis), melynek jele H. Értékét úgy kapjuk, hogy az elnyelt dózist megszorozzuk a Q minőségi tényezővel:

 

           (a3.20)

 

A dózisegyenérték egysége J/kg = 1 Sv (sievert).

 

Így pl. a gamma-sugárzásból kapott 1 Gy elnyelt dózis 1 Sv dózisegyenértéket eredményez, de alfa-sugárzásból az 1 Gy dózis már 20 Sv-t jelent, jelezve az alfa-sugárzás erősebb biológiai hatását.

 

A sugárzás térbelisége: A radioaktív anyag bomlásakor a keletkező részecske véletlenszerűen, bármely irányban egyforma valószínűséggel repül ki. Amennyiben a sugárzó anyagot pontszerűnek tekintjük, akkor a forrástól R távolságra az egységnyi idő alatt mérhető beütésszámot (N) a következő egyenlettel számíthatjuk ki:

                                                                                   (a3.21)

 

ahol k egy konstans, ami a sugárzás típusától és mérőműszer tulajdonságaitól (felület, hatásfok), valamint a preparátum aktivitásától (bomlás/s) függ.