Radioaktív izotópok
Izotópok Egy elem különböző tömegű (tömegszámú - A) formái; Egy elem izotópjainak a magjai azonos számú protont (rendszám - Z) és különböző számú neutront (N) tartalmaznak; Egy elem izotópjainak a magja lehet stabil és lehet radioaktív; Egy elemet számos stabil és radioaktív izotóp alkothat.
Izotóp geológia: Elemek izotópjainak “használata” geológiai folyamatok értelmezéséhez. Izotóp geokémia: Földi és extraterresztrikus anyagok izotóp összetételével foglalkolkozik, ami a vizsgált anyag korát, genetikáját és történetét (fejlődését) érinti; - Geokronológia: kormeghatározás, alapja a radioaktív bomlás, - Folyamatok értelmezése (genetikus gondolkodás): izotóp összetétel (arány) és annak időbeli változása.
Radioaktivitás geokémiai vonatkozásai – történet •U-sók radioaktivitásának felfedezése (1896, H. Becquerel) forradalom a fizikában; •Marie és Pierre Curie, E. Rutherford, F. Soddy: 1902-ig radioaktivitás folyamata, sugárzás, stabil és nem stabil atommagok (bomlás, emisszió vs. radioktív atomok száma); •Curie (1903): a radioaktivitás exoterm folyamat, ami megdönti Kelvin 94 millió éves Föld korát (olvadékból hűlő rendszer) (első geokémiai kapcsolat); •Rutherford (1905): (U-érc He-tartalma alapján: a Föld 500 millió éves •A. Holmes (1913) “The age of the Earth” c. könyv U-Pb korokat használ. •Analitika (MS, érzékeny detektorok, ionozáló sugarak)
- történet -
ATOMMAGOK ÁTALAKULÁSAI - MAGREAKCIÓK Rutherford kísérlet (1919): atomátalakítás 14 7
N He 4 2
17 8
O H 1 1
Irene Joliot-Curie (1934): mesterséges radioaktivitás 27 13
Al He
Tömör felírás:
4 2
14 7
P n 1 0
N α,p O 17 8
Alα,n P
27 13 tömegszám - rendszám
30 15
30 15
Radioaktivitás: A radioaktivitás a nem stabil (radioaktív) atommagok bomlásának folyamata. Nagy energiájú ionizáló sugárzást kelt.
Bomlás típusok: α-bomlás során •az atommagból egy hélium atommag (erősen kötött 2 proton és 2 neutron) válik ki, •erősen ionizáló, nagy energiájú (több 1 millió kJ/mol, a hatótávolsága levegőben 1 cm alatti, •sebessége 19 cm/s. β-bomlás során •az atommagban neutronból proton lesz elektron kibocsátás közben, így a béta-sugárzás valójában elektronsugárzás, •közepesen ionizáló hatású, energia 1-1 millió kJ/mol, hatótávolsága levegőben pár 10 cm, •kis rendszámú elemekkel gyengíthető (pl. paraffin). γ-bomlás során •energia távozik (nagy energiájú) fotonként, az előbbiek kísérő jelensége szokott lenni. •az ionizáló hatása a leggyengébb, •hatótávolsága levegőben végtelen, fénysebesség, •a nagy tömegszámú elemek (általában ólom) gyengítik hatékonyan.
A RADIOAKTÍV SUGÁRZÁSOK TULAJDONSÁGAI
név
tömeg töltés (ate) (e)
sugárzás fajtája
alfa
4,0026
+2
He-atommagok
béta
1/1837
-1
elektronok
0
elektromágneses sugárzás
gamma
ate: átlagos atomi tömeg
0
Elektromágneses sugárzások energiája csökken→
Elektromágneses sugárzások hullámhossza nő→
A TERMÉSZETES RADIOAKTIVITÁS Nukleoszintézis során >2200 nuklid (ma: stabil, lassú bomlású nuklid és rádionuklidok) A természetes radioaktív elemek rendszáma általában nagyobb, mint 80 (Tl-tól). Kivétel: 40K, 87Rb, 138La, 147Sm, 176Lu, 187Re, 190Pt + kozmogén izotópok (3H, 10Be, 14C, 26Al, 32Si, 36Cl), mesterséges (antropogén) izotópok: 90Sr, 137Cs Három földi eredetű bomlási sor jelenleg a természetben: • Tórium-sorozat (Th-232 a radioaktív nuklid) • Urán-sorozat (U-238 a radioaktív nuklid) • Aktínium-sorozat (U-235 a radioaktív nuklid)
Történelmi radioaktiv elemek (őslakosok)
proton-rich
neutron-rich
Stabil izotópok
Z (rendszám)
N (neutron)
Radioactive Decay Systems of Geochemical Interest
,
K, Th, U szerepe (gyakoriság, hatékonysság)
Három földi eredetű természetben:
bomlási
sorozat
van
jelenleg
• Tórium-sorozat (Th-232 a radioaktív nuklid) -> Pb-208 • Urán-sorozat (U-238 a radioaktív nuklid) -> Pb-206 • Aktínium-sorozat (U-235 a radioaktív nuklid) ->Pb-207
•Neptúnium-sorozat (Np-237 volt a radioaktív nuklid) -> Bi-209
a
205Tl
Aktivitás: Egy adott radioaktív forrás aktivitása megadja, hogy hány bomlás történik másodpercenként, mértékegysége Bq (Becquerel tiszteletére), 1 Bq másodpercenként egy bomlásnak felel meg (Bq/l – akt. konc., Bq/kg – fajl. akt.) A radioaktív bomlás véletlen jelenség, egy adott atommagról nem lehet megállapítani, hogy mikor fog elbomlani, viszont az elbomlásának időbeni valószínűsége állandó, jele . Egy forrásban a bomlások száma tehát arányos a radioaktív magok számával. A radioaktív bomlás sebessége külső tényezőktől független, kizárólag a radioaktív elem magjának stabilitásától függ.
Dózisegyenérték (H*(d): Irányított sugárzási tér egy pontjában 30 cm átmérőjű szövetekvivalens anyagú (ϱ=1g/cm3, O=76.2 %, C=11.1 %, H=10.1 %, N=2.6 %) gömb felületétől sugárirányban d=10 mm mélységben hozna létre. Mértékegysége: sievert (Sv) Elnyelt dózis (D): Az ionizáló sugárzás hatására az anyag térfogatelemének tömegében elnyelt energiának az átlagértéke. Mértékegysége: gray (Gy) Egyenérték dózis (H): Az adott szövetben vagy szervben elnyelt dózis átlagértéke, amit a sugárzás biológiai hatása és a sugárázást ért tömeg befolyásol. Mértékegysége: sievert (J/kg)
Effektív egyenérték dózis (HE): /foglalkozási eredetű sugárterhelések sztochasztikus kockázatbecslésére/
Az emberi test összes szövetére vagy szervére vonatkoztatott egyérték dózisok összege. /Azonos egyenérték dózissal besugározva pl. az ivarmirigyet illetve a pajzsmirigyet, a várható sugárkárosodása mértéke nagyobb lesz az ivarmirigyekben./
Előlények sugárérzékenysége
A radiometrikus kormeghatározás mindig valamilyen fizikai vagy kémiai folyamat lejátszódásának korát adja meg. Ásványokon és kőzeteken végzett kormeghatározás azt az időt jelenti, ami az utolsó, szilárd fázisban történő kiválás/ kikristályosodás, vagy egy bizonyos hőmérsékleti küszöbérték alá hűlés óta eltelt. Záródási hőmérséklet: csökkenő hőmérséklet során lejátszódó folyamat esetén azt a hőmérsékletet jelenti, amely alatt a diffúzió (azaz a reakció) megszakad, pl. nincs lehetőség a keletkezett leányizotópok eltávozására a rendszerből.
Figure 2.1- Nominal closure temperatures of various geochronometers and thermochronometers (from Gwilym, 2005). Systems are ordered by closure temperature on the Y-axis; the red dashed line indicates the thermochronometers used in this work.
Benedetta, 2013
Geokronológia • • • • • • •
Rb-Sr Sm-Nd, Lu-Hf, La-Ce K-Ar 40Ar-39Ar K-Ca U-Th-Pb Re-Os
Figure 1.2-Tectonic sketch map of Europe (from Artemieva et al., 2006) Benedetta, 2013
