Radioaktív bomlás – meghatározás, okai és története
Fedezd fel a radioaktív bomlás meghatározását, okait és történetét: Becquerel és Curie felfedezései, következmények és alkalmazások érthetően, röviden.
A radioaktív bomlás olyan folyamat, amely bizonyos kémiai elemekkel történik, amikor azok atommagja instabillá válik és átalakul. A legtöbb kémiai elem azonban stabil. A kémiai elemek atomokból állnak; a stabil elemekben ezek az atomok, illetve az atommagok hosszú időn át változatlanok maradnak. Még egy kémiai reakció során sem változnak meg maguk az atommagok: a reakciók az elektronhéjak szintjén zajlanak, míg a radioaktív bomlás az atommag belsejében történik.
Mi okozza a radioaktív bomlást?
A radioaktív bomlás oka az atommag belső instabilitása. Ha az atommagban túlsúlyban vannak a neutronok vagy a protonok arányában kedvezőtlen kapcsolatok alakulnak ki, az energiafelszabadulással járó átalakulás révén az atommag egy stabilabb állapotba kerül. Ez lehet spontán (természetes radioaktivitás), de előidézhető mesterségesen is (például neutronbesugárzással).
A bomlás fő típusai
- Alfa-bomlás: a mag két protonból és két neutronból álló alfa-részecskét (egy héliummagot) bocsát ki. Ez viszonylag nagy tömegű és töltésű részecske, könnyen elnyelődik (papír vagy a bőr felszíne elég lehet), de belső expozíció esetén veszélyes lehet.
- Béta-bomlás: a neutron protonná alakul (béta-minus, elektron kibocsátás) vagy a proton neutronná (béta-plus, pozitron kibocsátás). A kibocsátott elektronok/pozitronok könnyebben hatolnak át anyagokon, mint az alfa-részecskék.
- Gamma-bomlás: az atommag energiavesztesége után nagyenergiájú fotonokat (gamma-sugarakat) bocsát ki. Ezek nagy áthatoló képességűek, megfelelő ólom- vagy betonpajzs szükséges a kiszűrésükhöz.
- Teremtett bomlások és többlépcsős láncok: egyes radioaktív magok sorozatos bomlásokon mennek keresztül, amíg el nem érik a stabil végterméket (például az urán-238 bomlási sorozata).
Félidő és a bomlás matematikai leírása
A radioaktív bomlás statisztikus, a részecskék egyedi bomlása véletlenszerű, de nagy számok esetén jól írható exponenciális törvénnyel: a fennmaradó magok száma N(t) = N0 · e−λt, ahol λ a bomlási állandó. A félidő (T1/2) az az idő, amely alatt az eredeti magok száma felére csökken, és T1/2 = ln2 / λ.
Történet — hogyan fedezték fel
A 19. század végén Henri Becquerel felfedezte (1896), hogy bizonyos anyagok önmaguktól sugárzást bocsátanak ki; ez indította el a radioaktivitás kutatását. Marie és Pierre Curie 1898-ban további radioaktív anyagokat azonosítottak (például a polóniumot és a rádiumot), és a jelenséget radioaktív bomlásnak nevezték el. Becquerel és a Curie házaspár 1903-ban megosztva megkapták a fizikai Nobel-díjat a felfedezésükért. Később Ernest Rutherford és munkatársai tisztázták az alfa-, béta- és gamma-sugárzás különbségét, valamint a radioaktív bomlás mögötti nukleáris mechanizmust.
Mérés, egységek és detektálás
- Mennyiségi egységek: az aktivitást becquerelben (Bq) mérik (1 Bq = 1 bomlás/s). A sugárzás energianyereségét Gray-ben (Gy) mérik, míg az emberi szervezetre gyakorolt biológiai hatást Sievertben (Sv) adják meg.
- Detektorok: Geiger–Müller-műszer, szcintillációs detektorok és félvezető detektorok a leggyakoribb eszközök a sugárzás észlelésére és mérésére.
Alkalmazások és biztonság
A radioaktivitásnak számos hasznos alkalmazása van:
- Orvosi diagnosztika és terápiák (például radioizotópokkal végzett képalkotás, radioterápia daganatos betegségek kezelésében).
- Energiaforrás: nukleáris reaktorokban történő hasadással nagy mennyiségű energia nyerhető.
- Kor- és anyagvizsgálat: például radiokarbon (C-14) kormeghatározás, ipari izotópos vizsgálatok.
Ugyanakkor a radioaktív sugárzás veszélyeket is rejt: nagy dózisok egészségkárosodást (sugárbetegség, DNS-károsodás) okozhatnak, ezért fontos az idő, távolság és árnyékolás elveinek alkalmazása, valamint a szakszerű kezelés és tárolás.
Összefoglalás
A radioaktív bomlás az atommagok spontán átalakulása, amely energiát és különböző részecskéket vagy fotonokat bocsát ki. Bár sok elem stabil, a radioaktív elemek és izotópok vizsgálata alapvető fontosságú a fizika, a kémia, az orvostudomány és az ipar számára — ugyanakkor körültekintő kezelést és szabályozást igényel.
A háromszög szimbólumot a radioaktív anyagok jelölésére használják.
Példa
A legtöbb szénatom magjában hat proton és hat neutron található. Ezt a szenet szén-12-nek nevezik (hat proton + hat neutron = 12). Atomtömege 12. Ha egy szénatomnak két neutronnal több van, akkor az a szén-14. A szén-14 kémiailag ugyanúgy viselkedik, mint a többi szén, mivel a hat proton és a hat elektron határozza meg kémiai tulajdonságait. Valójában a szén-14 minden élőlényben megtalálható; minden növény és állat tartalmaz szén-14-et. A szén-14 azonban radioaktív. Béta-bomlással nitrogén-14-vé bomlik. A szén-14 a természetben körülöttünk található kis mennyiségben ártalmatlan. A régészetben ezt a fajta szenet használják a fa és más, korábban élő dolgok korának meghatározására. A módszert radiokarbonos kormeghatározásnak nevezik.
A bomlás különböző fajtái
Ernest Rutherford megállapította, hogy ezek a részecskék különböző módon hatolnak be az anyagba. Két különböző fajtát talált, amelyeket alfa- és béta-bomlásnak nevezett el. Paul Villard 1900-ban felfedezett egy harmadik fajtát is. Rutherford 1903-ban gamma-bomlásnak nevezte el.
A radioaktív szén-14 átalakulása stabil nitrogén-14-re radioaktív bomlásnak minősül. Ez akkor történik, amikor az atom alfa-részecskét bocsát ki. Az alfa-részecske egy energiaimpulzus, amikor egy elektron vagy pozitron elhagyja az atommagot.
A bomlás más fajtáit később fedezték fel. A bomlási típusok azért különböznek egymástól, mert a különböző bomlási típusok különböző részecskéket hoznak létre. A kiindulási radioaktív atommagot szülőmagnak, az atommagot pedig, amivé átalakul, leánymagnak nevezzük. A radioaktív anyagok által termelt nagyenergiájú részecskéket sugárzásnak nevezzük.
Ezek a különböző típusú bomlások egymás után egy "bomlási láncban" történhetnek. Az egyik fajta atommag egy másik fajtává bomlik, amely ismét egy másik fajtává bomlik, és így tovább, amíg stabil izotóppá nem válik, és a lánc véget nem ér.
A bomlás sebessége
A változás sebessége minden egyes elem esetében más és más. A radioaktív bomlást a véletlen irányítja: Azt az időt, amely alatt átlagosan az atomok fele megváltozik, felezési időnek nevezzük. A sebességet egy exponenciális függvény adja meg. Például a jód (131 I) felezési ideje körülbelül 8 nap. A plutóniumé 4 óra (243 Pu) és 80 millió év (244 Pu) között mozog.
Nukleáris átalakulások és energia
A radioaktív bomlás egy atomot egy magasabb energiájú atommagból egy alacsonyabb energiájúvá változtat. Az atommag energiaváltozását a keletkező részecskék kapják. A radioaktív bomlás során felszabaduló energiát vagy gamma elektromágneses sugárzás (a fény egy fajtája), vagy béta-részecske, vagy alfa-részecske viszi el. Mindezekben az esetekben az atommag energiaváltozása elszáll. És mindezekben az esetekben az atom protonjainak és elektronjainak pozitív és negatív töltéseinek összege a változás előtt és után is nulla.
Alfa bomlás
Az alfa-bomlás során az atommag alfa-részecskét bocsát ki. Az alfa-bomlás során az atommag két protont és két neutront veszít. Az alfa-bomlás hatására az atom egy másik elemmé alakul át, mivel az atom elveszít két protont (és két elektront). Például, ha az amerícium alfa-bomláson menne keresztül, akkor Neptúniummá változna, mert a Neptúniumot az határozza meg, hogy két protonnal kevesebb van benne, mint az ameríciumban. Az alfa-bomlás általában a legnehezebb elemekben, például az uránban, a tóriumban, a plutóniumban és a rádiumban történik.
Az alfa-részecskék még néhány centiméternyi levegőn sem képesek áthatolni. Az alfa-sugárzás nem tud ártani az embernek, ha az alfa-sugárzás forrása az emberi testen kívül van, mert az emberi bőr nem engedi át az alfa-részecskéket. Az alfa-sugárzás nagyon káros lehet, ha a forrás a testen belül van, például amikor az emberek olyan port vagy gázt tartalmazó anyagokat lélegeznek be, amelyek alfa-részecskék (sugárzás) kibocsátásával bomlanak.
Béta-bomlás
A béta-bomlásnak két fajtája van, a béta-plusz és a béta-mínusz.
A béta-mínusz bomlás során az atommag egy negatív töltésű elektront ad ki, és egy neutron protonra változik:
n 0 → p + + + e - + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} 
.
ahol
n 0 {\displaystyle n^{0}}
a neutron
p + {\displaystyle \ p^{+}}
a proton
e - {\displaystyle e^{-}}
az elektron
ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}}
az antineutrínó.
A béta-mínusz bomlás az atomreaktorokban történik.
A béta-plusz bomlás során az atommag egy pozitront bocsát ki, amely olyan, mint egy elektron, de pozitív töltésű, és a proton neutronná alakul:
p + → n 0 + e + + + ν e {\displaystyle \ p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+{\nu }_{e}} 
.
ahol
p + {\displaystyle \ p^{+}} a proton
n 0 {\displaystyle n^{0}} a neutron
e + {\displaystyle e^{+}} a 
pozitron
ν e {\displaystyle {\nu }_{e}}
a neutrínó
A béta-plusz bomlás a Nap belsejében és bizonyos típusú részecskegyorsítókban történik.
Gamma bomlás
A gamma-bomlás akkor következik be, amikor egy atommag egy nagy energiájú energiacsomagot, úgynevezett gammasugarat bocsát ki. A gammasugaraknak nincs elektromos töltésük, de van szögimpulzusuk. A gammasugarak általában közvetlenül más bomlástípusok után bocsátódnak ki az atommagokból. A gammasugarak felhasználhatók az anyagok átlátására, az élelmiszerekben lévő baktériumok elpusztítására, egyes betegségtípusok kimutatására és a rák egyes fajtáinak kezelésére. A gammasugarak rendelkeznek a legnagyobb energiával az elektromágneses hullámok közül, és az űrből érkező gammasugár-kitörések az ismert legnagyobb energiájú energiafelszabadulások.
Keres