EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNYEGYETEM
SZAKDOLGOZAT Ólomszennyezés Gyöngyösoroszin
Témavezető: Horváth Ákos egyetemi docens ELTE Atomfizikai Tanszék
Készítette: Lázár Bence kémiakörnyezettan szak
Budapest, 2007
Tartalomjegyzék 1. Ólomipar és emisszió .............................................................................................. 3 Termelés és felhasználás ................................................................................... 3 A gyöngyösoroszi bánya környezeti szennyezése.............................................. 5 2. A szakdolgozat céljai............................................................................................. 10 3. Mintavételi és mérési eljárás ................................................................................. 11 A mintavétel helyszínének kiválasztása............................................................ 11 Mintavétel ......................................................................................................... 13 Mintavételi jegyzőkönyv ............................................................................ 13 Minták előkészítése XRF analízisre.................................................................. 16 A mérés elvi alapjai........................................................................................... 17 A mérés kiértékelésének módszere.................................................................. 18 4. Mérési eredmények............................................................................................... 22 Standardok mérési eredményei, kalibráció....................................................... 22 Ólom kalibrációja....................................................................................... 22 Réz kalibrációja......................................................................................... 23 Cérium kalibrációja.................................................................................... 24 A szisztematikus hiba becslése ........................................................................ 25 Nehézfémek vertikális profiljának mérési eredményei ...................................... 27 Az ólom ..................................................................................................... 27 A cink ........................................................................................................ 31 A cérium.................................................................................................... 33 PIXE mérések ................................................................................................... 35 5. Összefoglalás........................................................................................................ 37 6. Környezetfizika gyakorlófeladatok......................................................................... 39 Bevezetés ......................................................................................................... 39 Radioaktivitás, bomlástörvény .......................................................................... 42 Atomenergia, sugárvédelem ............................................................................. 49 Elemanalízis...................................................................................................... 56 A feladatok megfeleltetése a NAT céljainak...................................................... 62 A feladatok kapcsolata a környezeti neveléssel ................................................ 69 Bibliográfia ................................................................................................................ 70 Köszönetnyilvánítás .................................................................................................. 73 2
1. Ólomipar és emisszió Termelés és felhasználás Iparosodott társadalmunk egyik jól ismert környezeti szennyezője az ólom. Egy részről az ólomipar főbb egységei azok, amelyek révén ezt a címet kiérdemelte; ezek az ólombányák, a színesfémkohók, a végtermékek előállítására emelt gyárak, valamint az újrahasznosító üzemek. Más részről az ólomtartalmú készülékeket és anyagokat felhasználók gondatlansága valamint a felhasználás módja is erősítette az ólom környezetvédelmi problémák között betöltött potenciális negatív szerepét. Persze ezek a tényezők nem okoznának gondot, ha mindennapjaink során kevés vagy éppen semennyi ólomra sem lenne szükségünk, de a statisztikai adatok alapján tudjuk, hogy erről szó sincs: például 1991-ben a bányákból származó elsődleges termék ólomra számolva 3,3 millió tonna volt, hulladékfém olvasztásából pedig további 5,6 millió tonna ólomhoz jutottunk. A kapott több millió tonna Pb felhasználása sokrétű. A környezetvédelem szempontjából sokáig veszélyes módon motorhajtóanyagok
adalékanyagaként
ólom-tetraetil
(Pb(C2H5)4)
formájában
használták. Ma legnagyobb szerepe gépjárművek savas kémiai áramforrásaként van. Szintén nagy mennyiségben alkalmazzák a festékiparban (mínium, ólomfehér, krómsárga), ötvöző anyagként (lágy forrasztóón, betűfém), saválló tartályok bevonására, sugárzások árnyékolására (pl. monitoroknál) stb. Tehát a felhasználás jelentős mértékű. Evvel együtt már minden faktor elég nagy ahhoz, hogy az emberiség hatása az ólom által a Földre számottevő legyen. Ezt a johannesburgi konferencia nyomán az alábbi szimbolikus képlettel foglalom össze:
IPb = NPb ⋅ fPb ⋅ tPb ahol IPb az ólom általi Földre gyakorolt hatást, az NPb az ólomfelhasználó emberek számát, az fPb ezek személyenkénti fogyasztását, a tPb pedig a felhasználás közben alkalmazott technológiák környezetkárosító tulajdonságának relatív mértékét jelenti. 3
Magyarországon durván a rendszerváltásig az ólomipar majdnem minden eleme megtalálható volt, ma már szinte csak a felhasználói oldal létezik. Ennek oka, hogy az utóbbi évtizedek honi „környezetvédelmi forradalma” során az emberek felismerték az itteni ólommal foglalkozó üzemek nagy tPb értékének következményeit. Ez vezetett például a hírhedt Metallochemia színesfémkohójának elhúzódó ügyéhez, továbbá ahhoz, hogy megszűnt a – szintén a Metallochemia kezelésében lévő – másik üzem, mely az ólomakkumulátorokat készítette elő az NDK-ba való szállításra, ahol újraolvasztották azokat. Ettől számítva folyamatos az út- vagy inkább helykeresés Magyarországon, ti. hogy hol létesítsenek használt akkumulátorokat újrahasznosító gyárat. Ennek a nyomait követhetjük időről időre a médiában: először Gyöngyösoroszin, utána öt faluval arrébb Apcon, majd Monokon, Komlón, mostanában Vekerden próbálkoznak a különböző vállalatok HAF-ot, vagyis Használt Akkumulátor Feldolgozót telepíteni. A forgatókönyv szinte mindig ugyanaz: először a cég új munkahelyeket illetve pénzt, adót ígér, a lakosság a tervet elfogadja, ellenvetés nincs. Utána megismerik az emberek a környezetvédelmi kockázatokat, a korábbi
eseteket
a
Metallochemiával
valamint
Gyöngyösoroszin,
elvesztik
bizalmukat, és a helyi falu vagy a környező települések lakói tiltakozni kezdenek, végül az új HAF üzem terve zátonyra fut. Ennek leglátványosabb eredménye az első faluban, Gyöngyösoroszin van, mégpedig a félig elkészült HAF üzem torzója.
Fotó: Fügedi Ubul
Gyöngyösoroszin volt már az ólomiparral az embereknek korábbi tapasztalatuk, ugyanis itt zárták be 1985 végén Magyarország utolsó ólom-cinkérc bányáját, miután gazdaságtalanná vált a kitermelés. Megjegyzem a bánya már a 60-as évektől dotációra szorult. A működés felfüggesztése a veszteségességen kívül szerintem 4
környezetvédelmi okokra vezethető vissza, ugyanis a zárást követő év nyarán már jött is a KÖJÁL, ellenőrizni a lakosság állandó bejelentéseit, miszerint a bánya felől az áradásokkal szürke anyag jön ... és meg is érkeztünk a dolgozat tágabb témájához, a gyöngyösoroszi bánya környezeti hatásaihoz, de kezdjük ezt is a legelején.
A gyöngyösoroszi bánya környezeti szennyezése A gyöngyösoroszi ólom- és cinkérc-előfordulás területén már a középkor óta bányásztak különböző színesfémeket. A korai bányászat összes volumene a meddőhányókból következtetve néhány ezer köbméter volt. Nagyipari termelés céljából kutatásokat először 1926-ban az Urikány-Zsilvölgyi Kőszénbánya Rt. kezdett, de a cink világpiaci árának csökkenése miatt elálltak terveiktől. 1949-ben a Gyöngyösi Ércbánya Vállalat is megvizsgálta a kitermelés lehetőségeit és a kedvezőbb feltételek hatására 1952-ben megkezdte a bányászatot. Fennállása során a bánya mintegy 29.000 t ólom, 65.000 t cink, 0,8 t arany, 29 t ezüst, 70.000 t pirit, 280 t réz és 60 t kadmium tartalmú színport tudott értékesíteni. A kitermelt mennyiség hozzávetőlegesen fél százaléka (800 t), valamint 150.000 m3 flotációs zagy a feldolgozás közben és után a környezetbe jutva szürke üledékként jelent meg a bánya mellett folyó Toka-patak árterén. A patak melletti telkek tulajdonosai felfigyeltek a szürke homokra és tapasztalták, hogy a termés az általa elborított területeken romlik, ezért panaszt tettek az Állami Népegészségügyi Tisztiorvosi Szolgálat elődjénél. A bejelentések és egy per, valamint környezetvédelmi vizsgálatok miatt 1986-tól máig több mint egy tucat kutatócsoport vizsgálódott a szennyezett területen. A vizsgálatok célja volt eldönteni hogy 1.
valóban van-e környezetszennyezés,
2.
az milyen kiterjedésű,
3.
honnan származhat,
4.
ténylegesen honnan származik és
5.
hogyan érdemes kezelni.
5
A Heves megyei ÁNTSz, az ELTE TTK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszéke, a BME Mezőgazdasági Kémiai Technológia Tanszéke, az MTA Talajtani és Agrokémiai Kutató Intézet Finomszerkezet-vizsgáló Laboratóriuma, a MÁFI Északmagyarországi Területi Földtani Szolgálata, a Környezetgazdálkodási Intézet, az MTA Geokémiai Kutató Laboratóriuma, az ELTE Kõzettani és Geokémiai Tanszéke vizsgálataira és saját méréseire támaszkodva a Magyar Állami Földtani Intézet Geokémiai Fősztálya a kutatások során adott – sokszor egymásnak ellentmondó – válaszokat kritikusan és elemző módon összefoglalta és megalkotta a szennyezés földtani modelljét. Főbb következtetéseik többé-kevésbé zárt gondolatmenet útján az alábbi módon érhetők el: 1. A környezetszennyezés valós, mivel 1.1.
a Heves megyei ÁNTSz 169 helyi növényminta elemzése során a zöldségfélékben kadmiumból és ólomból, gabonafélékben pedig rézből talált határérték feletti koncentrációt, amit az ELTE vizsgálatai is megerősítettek. Gombáknál – azok nehézfém akkumuláló képessége miatt – valószínűleg több elem mennyisége is meghaladja a szabályokban megengedettet. Ezek miatt az ÁNTSz a patak jobb és bal oldali 60 m-es sávját veszélyeztetettnek minősítette és azon zöldség termesztését nem javasolja.
1.2.
megállapították, hogy a talajok ólom-, kadmium-, cink-, arzén- és rézkoncentrációi helyenként szintén határérték felettiek. A koncentrációanomáliák foltokban helyezkednek el, a lencse, pászta alakú torlatok hossza néhány száz méter lehet, szélességük ugyancsak becslés alapján 5-40 méter. Ezeken a területeken van egy általános, a környezeténél jóval szennyezettebb réteg, ami szabad szemmel is könnyen azonosítható sárga színe alapján. A szelvényeknek ez a legnagyobb átlagos szemcseméretű tagja, sárga homoknak is nevezik. Ebből tematikus ásványtani vizsgálatokkal ferroszilícium ötvözetek voltak kimutathatók, amit a gyártási folyamat részeként a nehézszuszpenziós elődúsításnál adalékanyag formájában használtak. Ez egyúttal azt is bizonyítja, hogy a szennyezés a Gyöngyösi Ércbánya Vállalat valamelyik elődúsítási üzem utáni egységéből származik.
1.3.
a számottevő szennyezés kezdete az ötvenes évek elejére esik. Ez azért biztos, mert a talajszelvényekben a
137
Cs koncentráció növekedése
csaknem egybeesik az ólom, arzén, antimon és higany mennyiségének 6
gyarapodásával. A cézium 137-es izotópja pedig tudvalevő, hogy a felszín feletti
atomrobbantásokkal
és
atomreaktor-balesetekkel,
tehát
első
alkalommal 1945-ben került a légkörbe és ülepedett ki abból többek között a 137
gyöngyösi talajokra is. Természetesen a
Cs mennyisége kizárólag
kvalitatív megállapításokat enged meg, mert a többi felsorolt elemtől a fizikaikémiai tulajdonságai eltérők, valamint felezési ideje 30,1 év. 2. A szennyezés kiterjedését megbecsülni nem könnyű, mert a természetes érckibúvások mállott anyaga a nehézfémek háttérértékeit viszonylag magasan tartja. Az hogy mi ezen a területen a normális, a korrelálatlanság hipotézisével becsülhető. Az ólom esetében a háttér és az anomália küszöbértéke a MÁFI szerint 75 g/t. A számolt küszöb alapján körülhatárolhatók a szennyezett területek, bár ez rendkívül költségigényes. Alternatív megoldásként lehet használni a szennyezés terjedésének földtani modelljét, ami képes néhány torlatképződési helyet kijelölni, persze ha már ismert, hogy a toxikus nehézfémek milyen fázisban és hogyan terjedtek. 3. A szennyezés lehetséges és megemlített forrásai 3.1.
a bányavíz, mivel a kitermelés következtében a járatok nyitása és szellőztetése
megnövelték
a
szulfidos
ércek
oxidációs
termékeinek
mennyiségét, és egyúttal jelentősen csökkentették a pH-t (2,9-re) az alábbi kémiai reakciók miatt (az ólom példáján bemutatva);
3.2.
a meddőhányó
3.2.1.
szél által szállítva,
3.2.2.
a csurgalékvízzel és erózióval folyamatosan,
3.2.3.
gátszakadások alkalmával;
3.3.
a mállott telérek;
3.4.
nehézfémtartalmú kezeletlen hulladékok;
3.5.
és az üzem különböző egységei a nem megfelelő működés következtében. 7
4. Válogatás a számba vett lehetséges forrásokból 4.1.
Tudjuk, hogy a szennyezés kísérőjeként ferroszilícium mindig jelen van, tehát a nehézfém tartalmú üledék döntő hányada nem bányavíz eredetű. Egyébként
a
bányavíz
napi
egy-két
ezer,
50-100
g/m3
oldott
nehézfémtartalommal tényleg terhelte a patakot 1979-ig, amíg meg nem építették a Bence-völgyi víztisztítót és a zagytározót, amit ma is gyarapítanak a meszezéssel kicsapott fémek. 4.2. 4.2.1.
Az aeroszol formájában való terjedés szintén kizárt, ugyanis
közvetlen mérésekkel kimutatták, hogy a szálló por összetétele normális. A flotációs meddőhányó anyagából évi 1 m3-t visz el a csapadék
4.2.2.
és percenként 1-10 liter csurgalékvíz szállít fémeket oldott állapotban – egyik sem elegendő a megfigyelt szennyezés kialakulásához. 4.2.3.
A
gátszakadás
már
annál
inkább
jelenthet
valós
okot.
Feltehetően 1954-ben, 1960-ban, 1964-ben voltak szürke üledéket terítő áradások. Kun Béla bányamérnök megemlékezik az 1964-esről, ekkor a saját meddővel kerített hányó öt méteres szakaszon mondta föl a szolgálatot és így több ezer m3 zagy szabadult a völgyre. 4.3.
A természetes eredettel operáló magyarázatok csak félig helytállóak, mert ugyan léteznek a Toka-patak völgyének felső részén ún. szóródási udvarok, melyek kilométeres hosszúságúak és párszáz méter szélességűek, de ezek csak a magas háttér okai, ami geológiai értelemben rövid idő alatt természetes úton nem változik ilyen jelentősen.
4.4.
Technogén hatások
4.4.1.
Felfedeztek a meddőhányókon illegálisan lerakott galvániszapot.
Az eddigi pontokban bemutattuk, hogy a hányók állékonysága már jó, innét
szennyezéstől
nem
kell
tartani.
Ezen
kívül
csak
a
még
elhagyott
kadmiumszennyezésre adhatna kielégítő magyarázatot. 4.4.2.
Szóba
jöhetne
a
galvániszapon
kívül
színesfémtartalmú hulladék, például ólom-akkumulátor, de ilyet jelentős mennyiségben nem találtak. 4.5.
Komenczi Bertalan országgyűlési képviselő hívta föl a figyelmet az ércdúsító üzem technológiai hiányosságainak és lazaságainak várható 8
következményeire. Például arra, hogy amikor az ércdúsító üzemből a meddőt a hányókra juttatták, és a Toka-patak felett áthaladó zagyvezetékben a maximum 0,2 mm szemcsenagyságú maradék kőzet megrekedt, akkor ezt a fenékürítő csövön keresztül egyenesen a patakba eresztették. Tehát a Toka-patak völgyének ma is meglévő szennyezése a nagyipari termelésre vezethető vissza és főként a gátszakadásokkal valamint az ércelőkészítő üzem helytelen működésével magyarázható. 5. Egy ilyen nagy kiterjedésű, már-már regionális méretű szennyezett terület rehabilitációja igen nagy feladat. Ezt mutatja az is, hogy a kutatásokon kívül már több környezetvédelmi tanulmány foglalkozott a negatív antropogén hatások feltérképezésével Területfejlesztési
és
felszámolásával.
Minisztérium
az
Elsőként
„Érces
a
Környezetvédelmi
meddőhányók
és
hatásterületének”
tisztázásakor, utána az Ipari és Kereskedelmi Minisztérium indító feljegyzése a Hulladék Akkumulátor Feldolgozó üzem telepítésekor, napjainkban pedig az ÁPV Rt.
költségén
a
Mecsekérc
Környezetvédelmi
Részvénytársaság
készít
tájrehabilitációs tervet. Ez utóbbinál a tervek elkészítésére két évet és 518 MFt-ot szánnak, utána pedig várhatóan rekultiválják a meddőhányót, a zagytározót, és a hivatalosan csak felfüggesztett működésű bányát bezárják. A szennyezett talajok sorsa valószínűleg megoldatlan marad, hiszen ilyen mennyiségnél gondolni sem lehet végleges tervre, mindössze csak kockázatbecslésre és a termelési korlátozások érvényben tartására. Esetleg még sor kerülhet a víztározók és zagytározó nehézfémtartalmú iszapjának eltávolítására, mert így legalább a szennyezés utánpótlását megszüntetnék.
9
2. A szakdolgozat céljai A talajminták többségét – mint említettük – mechanikusan a talaj felső 0-20 és 2040 centiméteréről vették. Azt, hogy a nehézfémek koncentrációja hogyan alakul a talajban, kis számú fúrás alapján vizsgálták és kevesen. Ismert például egy 80 cm mély feltárás, bár ez nem elég reprezentatív. Ezen kívül a szennyeződés dinamikájára csak más területek hasonló méréseiből és a helyi szennyeződés történetéből lehet következtetni. Így hát itt a kitűnő lehetőség, hogy a kialakult kontaminációnak
nagyobb
mélységű
eloszlását
és
esetleges
migrációját
alaposabban tárgyaljuk. Elsősorban az eddigiek során felmerült legtoxikusabb nehézfém, az ólom, valamint a környezetvédelmi szempontból szintén figyelemre méltó cink vertikális profilját kívánjuk meghatározni szennyezett területen. E két elem fizikokémiai tulajdonságai részben eltérőek, ezért – főként mozgékonyságuk különbségéből adódóan – koncentráció arányaik eltérése várható. Erre az összehasonlító elemzésükkel fogunk fényt deríteni. Célunk továbbá, hogy a kontamináció létrejöttének összefoglalásához, a vizsgálataink eredményeihez és konzekvenciáihoz minél több, a téma iránt érdeklődő illetve érintett könnyen hozzájuthasson; egyáltalán tudomást szerezzen róla, ezért hozzáféhetővé tesszük az elektronikus világhálón az ELTE által nyújtott tárhelyen.
3. Mintavételi és mérési eljárás A mintavétel helyszínének kiválasztása A Toka-patak bizonyítottan szennyezett 8 km-es szakaszán belül sűrűn vizsgált helyet választottunk, merthogy az eddig megtalált nehézfémtartalmú
lencsék
egyikének
függőleges eloszlását akartuk vizsgálni. Fontos volt még a jó megközelíthetőség és a terep megfelelő átláthatósága, nyíltsága. Választásunk
Gyöngyöstől
200,
a
víztárolótól 300 méter távolságban fekvő területre esett. Itt négy fúrást telepítettünk,
melyek
helyét tudatosan jelöltük ki: az „A” és „B” szelvény egymástól öt méterre volt, ezzel a mintavétel és mérés reprodukálhatóságát kívántuk ellenőrizni. A pataktól 58 méterre vett „C” mintasorozatról úgy gondoltuk szennyezetlen lesz és a háttér-koncentrációkat fogja mutatni. A negyedik fúrás „D” szelvényét a másik partra, de ismét a patak közelébe telepítettük, méghozzá olyan helyen, ahol a patakmeder falában szabad szemmel is jól látható volt a sárga homok, ami valószínűleg a szennyezés fő részét tartalmazza.
A pontok helyét katonai térképen rögzítettük illetve GPS-szel a környező fontosabb tereptárgyakkal együtt koordinátáikat meghatároztuk. Ezen adatokból számítottuk a kiemelt talajszelvények pataktól való távolságát és készítettünk vázlatot a helyszínről, ami az előbbi katonai térképnél nagyobb felbontású, méréseinknek jobban megfelelő.
É 47°46' "A" mérési pont 48,9" "B" mérési pont 49,0" "C" mérési pont 49,3" "D" mérési pont 50,5" gyalogút és patak metszéspontja 49,4" szárazárok és gyalogút metszéspontja 48,5" csatornanyílás a patakba 51,0"
12
K 19°54' 31,1" 31,4" 28,6" 32,4" 31,3" 26,7" 32,2"
távolság távolság a pataktól az ároktól 9m 80 m 4m 84 m 58 m 26 m 3m 90 m 0m 82 m 92 m 0m 0m 87 m
Mintavétel Motoros fúróval egy-egy pontban vettük a talajmintákat. Minden esetben legalább a talajvíz szintjéig mentünk le. A kapott rögöket sorba raktuk és egy részét, 0,5 – 2 kg-ot szintenként, egy-egy jelzéssel ellátott polietilén tasakba gyűjtöttük. A rétegeket helyszíni megfigyeléseink alapján különítettük el és ez alapján határoztunk meg 10150 cm-es különálló talajoszlopokat. A rétegek tulajdonságaiból ítélve réti illetve réti csernozjom talajokat találtunk.
A mintavételről részletes jegyzőkönyvet készítettünk, ez a következőkben olvasható. Ezen kívül fényképekkel dokumentáltuk a műveletek pontos módját és körülményeit.
Mintavételi jegyzőkönyv Gyöngyös, a Toka-patak partja, a Gyöngyös-Rédeivíztárolótól észak felé 300 méterre mintavétel módja: motoros fúróval, pontfúrással mintavevők: Fügedi Ubul, Benkő Levente, Szekeres Tamás, Lázár Bence
13
szelvények A B C D
szel- mélység [cm] vény A A
alapszín
0-20 20-160
sötétbarna barna
A 160-200 A 200-230 A 230-300 B 0-30
vörösbarna világosbarna középbarna barna
B B B
távolság a pataktól [m] 10 8 70 2
színfoltok
vasborsók andezit törmelék mészkonkréciók
30-40
sárgásbarna egy kevés limonitfolt, csillámszemcsék 40-50 barna; világosbarna egy kevés mészfolt 50-200
B 200-270 B 270-280
talajvíz mélység [cm] 240 255 290 220
barna 140 alatt mészerekkel sűrűn behálózva sárga, szürke mészkonkréciók sárga, szürke
minták száma [db] 5 6 11 9
szemcseméret
egyéb
felső szint: kőzetliszt, agyagos agyagos kőzetliszt
növénymaradványok néhány meszes ér, növénymaradványok
homokos agyagos kőzetliszt kőzetliszt kőzettörmelékkel agyagos kavicsos kőzetliszt centis kavicsok, pl. jáspis felszíni feltöltés, kavicsos agyagos növénymaradványok, kőzetliszt, mederanyag téglamorzsák fiatal feltöltés, másodlagos növénymaradványok,kisebb áthalmozódás kőzettörmelékek, obszidián agyagos kőzetliszt kisebb növénymaradványok kőzettörmelékkel agyagos kőzetliszt kisebb kőzettörmelékkel agyagos finomhomok, kőzetliszt tégla-, üvegmorzsa agyagos finomhomok, kőzetliszt jáspis és obszidián darabkák 14
B 280-290
sárga, szürke
limonitfoltok
agyagos finomhomok kőzetliszt
B 290-300 C 10-60
barnásszürke barna
limonitfoltok
60-70 sötétbarna 70-200 sötétbarna 200-250 vörösbarna 250-260 vörösesszürkésbarna 260-270 vörösesszürkésbarna 270-280 vörösesszürkésbarna 280-290 vörösesszürkésbarna
néhány limonitfolt néhány limonitfolt meszes foltok sötétfekete fekete, vörös foltok limonit és mész
agyagos homokos kőzetliszt fiatal feltöltés, finom homokos durva kőzetliszt agyagos kőzetliszt agyagos kőzetliszt kőzetlisztes homok agyagos kőzetliszt agyagos kőzetliszt kisebb kaviccsal homokos agyagos kőzetliszt kavicsos (max. 1 cm), agyagos kőzetliszt kavicsos (max. 3 cm), agyagos kőzetliszt kavicsos, agyagos középszemű homok kavicsos, agyagos középszemű homok feltöltés, agyagos kőzetliszt apró szemű apró szemű kőzetlisztes homok apró szemű kőzetlisztes homok
C C C C C C C
C 290-300 vörösesszürkésbarna C 300-310 C 310-320 D 0-20 D 20-50 D 50-80 D 80-100
barna barna sötétbarnás-vörös szürke és vörös foltos vörösessárga mészfoltok vörösesbarna vörös limonitfoltok világosbarna mészfoltok
D 100-120
világosbarna
mészfoltok
apró szemű kőzetlisztes homok
D 120-140 D 140-200 D 200-260
barna szürkésbarna barna
limonitfoltok
agyagos homokos kőzetliszt agyagos kőzetliszt homokos agyagos kőzetliszt
D 260-300
barna
limonitfoltok
homokos agyagos kőzetliszt 15
kőzettörmelékkel és egy teljes fűszál maradványával egy levélmaradvány növénymaradványok (gyökerek) növénymaradványok sok fű fűszál, spárga
fűszál, faszén növénymaradványok növénymaradványok növénymaradványok növénymaradványok, faszén növénymaradványok, faszén jól tapad, gyurmaszerű növénymaradványok, gyurmaszerű gyurmaszerű
Minták előkészítése XRF analízisre Az előkészítés során a 0,5 kg tömegű légszáraz talajtól a 0,6 g-os pasztillához szükséges anyaghoz három részmintavétellel jutottunk. Minden alkalommal az egyre kisebb talajmennyiséget alaposan homogenizáltuk, fokozatosan csökkentettük a maximális
szemcseméretet
és
ügyeltünk
az
egymást
követő
részminták
tömegarányának hasonlóságára, hogy a pasztilla megfelelően reprezentálja a mintavételi szintek szűk környezetét. A mérendő mintamennyiséghez közvetlenül szükséges talajt dörzsmozsárban porítottuk szabad szemmel látható szemcseméret alá. A kapott kb. 0,6 g légszáraz port néhány csepp vízzel benedvesítettük és hidraulikus présben henger alakú pasztillává nyomtuk össze. A nedves pasztillát szobahőmérsékleten száradni hagytuk, majd analizáltuk. Az ELTE Atomfizikai Tanszékén, ahol a mérést végeztük, korábban az ismertetett módszert kiegészítették ragasztóval vagy kálim-jodiddal történő elkeveréssel. Az előbbit a növényi hamuból vagy laza talajból készült pasztilláknál alkalmazták, hogy javítsák a minta fizikai tulajdonságait, az utóbbit pedig városi földmintáknál főként a mérésnél fellépő mátrixhatás csökkentése érdekében. Most az agyagos talajok esetén kötőanyag alkalmazására nem volt szükség, a mikroszennyezők kimutatása pedig azok felhígulása miatt nehezebb lett volna.
16
A mérés elvi alapjai Az
energiadiszperzív
röntgen-fluoreszcencia analízis során a mintát γfotonokkal gerjesztjük. Mi két
féle
mértünk,
γ
forrással kezdetben
241
Am-mal, később pedig
125
I-dal. A váltásra azért
volt
szükség,
amerícium
mert
forrással
alacsonyabb gerjesztési
az
Az ábra Kiss Ádám környezetfizika jegyzetéből való
energiájú elemek – pl. az ólom – kimutatási határa túl magas volt. A gerjesztett atomok rendszámtól függő energiájú karakterisztikus fotonokat emittálnak, amit Si(Li) févezető detektorral alakítottunk elektromos jellé. A jeleket számítógép tárolta és összeállította belőlük a spektrumot. A mérési elrendezés:
Az ELTE Atomfizikai Tanszék környezetfizika jegyzetének ábrája
Az XRFA roncsolásmentes analitikai módszer, vagyis egy pasztillát többször is megmérhettünk és a mérést pontosíthattuk szükség esetén.
17
A mérés kiértékelésének módszere A spektrumot ennél a mérésnél összetett hátteren ülő Gauss-csúcsok alkotják. A csúcsok energiája a két féle forrás esetében azonos, de a hátteret adó Rayleigh- és Compton
szórások
máshol
jelentkeznek,
aminek
következtében
a
cink
koncentrációját meghatározni gyakorlatilag csak a jód forrással felvett spektrumból lehetséges, az ólomét kvantitatívan, jó statisztikával megintcsak a jód forrást, míg például a ritkaföldfémek eloszlását csakis az amerícium forrást használva kaphatjuk meg. 241
Spektrum 80000
Am forrással
Pb Lα Pb Lβ
4000
Rb Kα 3000
Nfoton [db]
60000
Compton-szórás
Sr Kα
2000 10
11
12
13
14
40000 Compton-szórás
Sn Kα
Ba Kα
20000 Pb Lα
Ce Kα
Pb Lβ
Rayleigh-szórás
0 5
10
15
20
25
30
35
Efoton [keV]
18
40
45
50
55
60
Spektrum 125I forrással 60000 Pb Lβ
foton
[db]
50000
N
Rb Kα Sr Kα
Compton-szórások
Pb Lα
40000 30000 20000 10000
Fe Kα
Zn Kα
Pb Lβ
Zr Kα
0 0
5
10
15
20
25
30
35
Efoton [keV] A csúcsok területeinek meghatározására és a háttértől való elválasztásra az XRF analízisnél elterjedten használt Axil, valamint a Deák Ferenc által fejlesztett Camcopr programokat használtuk. Mindkét program félig automatikus, számos emberi beavatkozásra szükségük van a helyes működéshez. Elsőre, a kvalitatív elemzéskor egy kis gyakorlat után elegendő ránézni a hasonló spektrumokra, viszont ez az említett programokkal túl körülményes. A munkát meggyorsítandó, készítettem egy programot, ami az Atomfizikai Tanszéken előállt spektrumok ilyen fajta kvalitatív elemzésére alkalmas. Egyidejűleg maximum 256 darab automatikusan simított spektrum nyitható meg vele 16 különböző színben, így kiválóan alkalmas azonos mérési idők és egyéb feltételek mellett összehasonlító elemzésre. ( http://lazar.web.elte.hu/toka/spmview.exe ) Miután a Gauss görbék alatti és a háttér feletti területet a programokkal meghatároztuk és egymástól elválasztottuk, a kapott foton darabszámokat normálni kellett az időre, a rövid felezési idejű (60 nap) jód forrásnál az egyre csökkenő 19
aktivitásra és a pasztilla mért felületére. A 125-ös tömegszámú jód izotóp aktivitása az alábbi exponenciális bomlástörvény szerint csökken: Nt = N0 ⋅ exp( −
ln 2 ⋅ t) T12
ahol a kezdetben meglévő radioaktív atommagok száma egységnyi. A mérési idő, a mintafelület és a csökkenő aktivitás helyett a Compton-csúcs területével
osztottuk
az
egyes
Gauss-csúcsokat,
ezt
röviden
Compton-
normalizációnak hívják. A hátteret az eddigieken kívül növelték és összetettebbé tették a berendezést alkotó fémek például ólom- és óntartalmának karakterisztikus fotonjai. Ezt vakpróbával küszöböltük ki, aminek során azonos geometriájú fehér krétadarabot használtunk, mivel ennek átlagrendszáma a talajokéhoz hasonló. A szükséges anyag átlagrendszámához a talaj ásványos összetételének becslésével jutottunk, melynek alapját a Toka-patak árterén korábban végzett ásványtani vizsgálatok adták.
talajásványok
%
Na
Ca
montmorillonit illit kaolinit klorit kvarc
5 3 0,1 3 68
2 1,3 0 0 0
2 0 0 0 0
2 5,3 4 0 0
káliföldpát
3
0
0
plagioklász pirit sziderit dolomit
5 0 3 0
0,5 0 0 0
6 3 0,1 3 4
Mg-os kalcit jarosit gipsz amorf piroxén (augit) rendszám
Al Mg
.
Si
O
H
K
Fe
S
C
Ti Zátlag '% Zá'
2 0 0 6 0
4 6,8 4 4 1
17 29 18 18 2
12 14 8 8 0
0 0 0 0 0
0 0 0 6 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 7,71 38,5 0 7,51 22,5 0 7,65 0,8 0 10,38 31,1 0 10,00 680,0
1
0
3
8
0
1
0
0
0
0 10,62
31,8
0,5 0 0 0,5
1,5 0 0 0
0 0 0 0,5
2,5 0 0 0
8 3 3
0 0 0 0
0 0 0 0
0 1 1 0
0 2 0 0
0 0 1 1
0 10,31 0 19,33 0 11,20 0 9,20
51,5 0,0 33,6 0,0
0 0 0 0
0,8 0 1 0
0 0 0 0,5
0,3 0 0 0
0 0 0 0
3 14 4 3
0 6 0 3
0 1 0 0
0 3 0 0,5
0 2 1 0
1 0 0 0
0 9,60 0 9,50 0 11,33 0 6,64
57,6 28,5 1,1 19,9
0 11
0,4 20
0,4 13
0,4 12
2 14
6 8
0 1
0 19
0,4 26
0 16
0 6
0,4 11,32 22
45,3
106 kréta
100
9,8 0
1
0
0
0
3
100
0
0
0
0
1
0
10
10 10
20
A mérések szerint a talajminták és a kréta átlagrendszáma mégis különbözik, amire a következő összefüggés segítségével jöttünk rá: Z átlag =
TRayleigh TCompton
Az eltérés okát a kréta nyomelem tartalmában kerestük. A minta nélküli vakpróba túl kis hatékonyságú volt, ezért ideálisan tiszta anyagként paraffint alkalmaztunk. Ezt használták már korábban növényi hamu mérésekor ugyancsak háttér becslésére ezen a tanszéken, ezért bíztunk meg a paraffin tisztaságában. A kréta és paraffin spektrumának összehasonlításából kiderült, hogy a kréta stronciumot tartalmaz kis mennyiségben. Ez azonban nem jelentős, ettől még a háttér becslésére lehetett használni.
21
4. Mérési eredmények Standardok mérési eredményei, kalibráció A kvalitatív elemzés egyszerű: ismerve a gerjesztő fotonok energiáját és az elasztikus szórás maximumának csatornaszámát, a kezdő csatornát az origóba helyezve megkapjuk a csatornaszám / energia arányossági tényezőjét, amiből kiszámolhatjuk az egyes csúcsok energiáját és így azonosíthatjuk az egyes elemeket az XRF táblázatok alapján. Az abszolút koncentrációk meghatározása belső standardokkal történik.
Mi a
belső standardokkal való mérés speciális esetét alkalmaztuk, az addíciós módszert. Ennek során magához a talajmintához adagoljuk az analizálandó elemet és a többletkoncentráció ismeretében számoljuk ki a fotonszám / koncentráció arányt, ami alacsony koncentrációknál egyenes. Standardokat két féle képpen állítottunk elő: az esetek egyik felében a mérendő elem híg vizes oldatát csepegtettük a mintához, a másik felében az elem egy stabil, szilárd és vízben nem oldódó szilárd vegyületét adagoltuk a porrá dörzsölt talajhoz, majd ezt tiszta talajjal nyolc lépésben felhígítottuk.
Ólom kalibrációja 22000 20000 18000 16000
Nfoton [db]
14000 12000 Linear Regression: Y=A+B*X Parameter Value Error A 4170 650 B 69,2 4,7 ---------------------------------------R SD N P 0,984 1340 9 <0,0001
10000 8000 6000 4000 2000 0
-50
0
50
100
+cPb [g/t]
22
150
200
250
Az ólom kiértékelésénél az Lβ vonal területét használtuk csak, mert a Pb Lα és az As Kα vonala túl közel van egymáshoz. A kalibráció alapján a standardként használt B
80-100-as
jelzésű
minta
ólomkoncentrációja
hátrametszéssel
közvetlenül
leolvasható vagy számolható: a krétával mért ólom-intenzitások adják a nulla szintet, ez (2500±360) db fotont jelent. Ezen felül (a hozzáadott ólom nélküli mintákból) átlagosan (1670±650) db ólom által kibocsátott foton érkezett, amit osztva a kalibrációs egyenes meredekségével, megkaptuk a B 80-100-as minta ólomra vonatkozó koncentrációját: (24±9) g/t. A minták makroelem-összetétele hasonló, ezért átlagrendszámukat és a mátrixhatást azonosnak feltételeztük. Ezek alapján a Kα csúcsterület és a koncentráció lineáris kapcsolatát ugyanaz a kalibrációs konstans adja meg: (69±5) db foton / 1,0 g/t Pb.
Réz kalibrációja 10000 9000 8000
Nfoton [db]
7000 6000
Linear Regression: Y = A + B * X Parameter Value Error A 2880 260 B 16,5 1,4 ------------------------------------------------R SD N P 0,978 591 8 <0,0001
5000 4000 3000 2000-200 -150 -100 -50 1000
0
50
100 150 200 250 300 350 400 450
+cCu [g/t]
0
A réz kalibrációját a cink koncentrációjának meghatározásakor használtuk fel. A réz szomszédos a cinkkel, ezért koncentráció / karakterisztikus foton arányuk gyakorlatilag megegyezik. 23
A mintatartó rézből készült, ezt ismét kréta mérésével vettük figyelembe. Továbbá a réz koncentrációja alacsony a mintákban, ezért a kalibrációs állandó hibája nagy. A relatív koncentrációk azonban használhatók.
Cérium kalibrációja
32000 28000 24000
Nfoton [db]
20000 16000
Linear Regression1: Y = A + B * X Parameter Value Error A 5582 196 B 46,81 1,16 ------------------------------------------------R SD N P 0,9969 549,2 12 <0,0001 ------------------------------------------------Linear Regression2: Y = A + B * X Parameter Value Error A 3125 103 B 26,33 0,61 ------------------------------------------------R SD N P 0,9973 288,8 12 <0,0001 -------------------------------------------------
12000
Ce Kα2 Ce Kα1
8000 4000 0 -150 -100
-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
+cCe [g/t] A cérium két vonala is jól kiértékelhető volt, háttér nem jelentkezett. A kalibrációs egyenesek a +0 [g/t]-ás szintnél hibahatárokon belül metszik egymást és adják a kalibráló minta hozzáadott cérium nélküli koncentrációját: 5882 ± 196 = (119,3 ± 4,2 ) g t 46,81 3125 ± 103 = = (118,7 ± 3,9 ) g t 26,33
c Ce1 = c Ce2
24
A szisztematikus hiba becslése A pasztillák alkalmasságát ellenőriztük: két mintából duplumokat gyártottunk, valamint az összes pasztillánál a henger mindkét lapját analizáltuk az egyiket általában 16, a másikat 2 óra hosszan. A röntgensugarak áthatolási képessége ebben az energiatartományban nagyon kicsi. Így az utóbbi méréssorozattal azt tudtuk
leellenőrizni,
hogy
a
pasztillák
megfelelően
homogenizáltak-e.
A
homogenizáltság fokát valamint a minta-előkészítés reprodukálhatóságának mértékét a ζ változóval jellemeztük. ζ=
a két elvileg azonos csúcs területeinek különbsége a terület hibáinak összege
Ideális esetben a ζ zérus, de a mérés még jónak tekinthető, ha ζ ≤ 1. Abban az esetben is nagyobb 1-nél, ha a pasztillakészítés szisztematikus hibája a mérés statisztikus hibájának nem elhanyagolható része. De a pasztilla heterogenitása esetén is nagyobb a ζ-k távolsága a nullától mint 1. Amennyiben emellett a
szeparálódás oka egyformán hat a detektált elemek többségére, vagy több pasztillánál azonos elemre, akkor a ζ-k megfelelő átlagértékeinek várható értéke is messze esik a nullától. ζ értékei az egyes elemeknél a B 40-60-as jelű pasztillák esetén a következő táblázatban találhatók. B 40-60-es minta két pasztillájának mérése Am forrásal
egyik mérés
másik mérés
ζ számolása
Terület1
hiba1
Terület2
hiba2
T1-T2
hiba1+ +hiba2
Fe Kα
82699
1474
83926
1467
-1227
2941
-0,417
Fe Kβ
13527
849
16721
888
-3194
1737
-1,839
Pb Lα
1507
588
1722
526
-215
1114
-0,193
Pb Lβ
1625
394
2149
400
-524
794
-0,660
Rb Kα
5736
268
7983
310
-2247
578
-3,888
Sr Kα
11517
381
13413
393
-1896
774
-2,450
Rb Kβ
6030
269
5427
290
603
559
1,079
Zr Kα; Sr Kβ
48867
424
48726
509
141
933
0,151
Nb Kα
4246
248
4393
248
-147
496
-0,296
Zr Kβ
13805
341
13395
340
410
681
0,602
Ag Kα
10915
337
10616
343
299
680
0,440
Sn Kα
37725
452
38919
492
-1194
944
-1,265
25
ζ
Sb Kα
26948
366
27983
418
-1035
784
-1,320
Sn Kβ
15426
387
13998
383
1428
770
1,855
Sb Kβ
3574
285
3247
287
327
572
0,572
Ba Kα3
10808
2192
25668
7182
-14860
9374
-1,585
Ba Kα2
201174
1573
189933
5068
11241
6641
1,693
Ba Kα1
337667
1955
333494
5838
4173
7793
0,535
La Kα2
8485
428
7839
444
646
872
0,741
La Kα1
16745
445
16984
522
-239
967
-0,247
Ce Kα2
24425
372
24201
369
224
741
0,302
Ce Kα1
43674
471
43205
467
469
938
0,500
Pr Kα
9396
1414
4241
910
5155
2324
2,218
Ba Kβ1
77270
1306
82042
998
-4772
2304
-2,071
Nd Kα2
10241
524
8982
494
1259
1018
1,237
Ba Kβ2 ,Nd Kα1
33677
752
34219
611
-542
1363
-0,398
Ce Kβ
10078
560
9386
560
692
1120
0,618
Az egynél nagyobb és mínusz egynél kisebb ζ számok tehát azt jelzik, hogy néhány csúcs, amik többek között a megfelelő elemek koncentrációival arányosak, szisztematikus hibával terheltek. Ezeknek a szisztematikus hibáknak az eredete a gondos
mintaelőkészítés
keresendők.
ellenére
megmaradt
inhomogén
pasztillarészekben
Ezt kizárni nem lehet. Egy másik ok viszont bizonyos, és ez a
többszörös Gauss-görbék illesztésénél lép fel. A spektrumban megjelenő vonalak ugyan diszkrétek, de a készülék felbontása miatt a fotonok energiái a várható érték körül normál eloszlást mutatnak, ezért a közeli csúcsok átfedésbe kerülnek, amit a legkisebb négyzetek módszerével illesztett Gauss-csúcsok bizonytalanságát, rossz értékét eredményezi. Ez a veszély fokozott, ha kis területek becsléséről van szó. Ilyen a Ba Kβ1, a Pr Kα, vagy az Sn Kβ. A csúcsok összeolvadása miatti hiba figyelhető meg a Ba Kα két kisebbik csúcsánál, vagy a Rb és Sr Kα-inak megbecsülhetetlenségük miatt fel nem tűntetett mellékvonalainál. Ellenben azoknál a vonalaknál, melyek méréseink alapját képezték, ilyen problémák nem merülnek fel, mert a kiválasztásuknál figyeltünk erre. Látszik például, hogy a Pb Lβ, a Ce Kα1, a Ce Kα2 ζ értékei jóval kisebbek egynél. A statisztikus hibákat az eredmények ábrázolásakor és leírásakor feltűntettük, ezek a mérési idő függvényében gyökös összefüggés alapján csökkentek. Ezek a hibák valójában 5-10%-kal nagyobbak, mert a kréta segítségével történt háttérbecslés hibájának terjedését kvantitatívan nem vettük figyelembe. 26
Nehézfémek vertikális profiljának mérési eredményei Az ólom
Az "A" szelvény ólomkoncentrációi 120
Adatok [cm] [g/t] 10 97 90 24 180 19 215 24 265 14
100
60
talajvízszint
cPb [g/t]
80
+/8 2 4 4 3
40
20
0 0
50
100
150
200
250
300
mélység [cm]
A "B" szelvény ólomkoncentrációi 120 [cm] 15 35 45 125 235 275 285 295
100
60
40
talajvízszint
cPb [g/t]
80
Adatok [g/t] +/91 6 108 7 59 5 22 4 30 3 29 4 20 3 31 4
20
0 0
50
100
150
mélység [cm]
27
200
250
300
A "C" szelvény ólomkoncentrációi 80 [cm] 35 65 135 225 255 265 275 285 295 305 315
70 60
cPb [g/t]
50 40
Adatok [g/t] 23 33 45 27 31 53 20 30 19 17 20
+/8 10 12 10 9 15 3 9 4 3 7
30
talajvízszint
20 10 0 0
50
100
150
200
250
300
350
400
mélység [cm]
A "D" szelvény ólomkoncentrációi 400 350 [cm] 10 35 65 90 110 130 170 230 280
300
200 150
+/57 30 25 39 41 36 38 42 27
100 talajvízszint
cPb [g/t]
250
Adatok [g/t] 260 391 86 55 90 72 44 87 39
50 0 0
50
100
150
mélység [cm]
28
200
250
300
Az ólomkoncentrációk mért vertikális profilját az iménti négy ábra mutatja. Az „A” szelvényben az ólomkoncentráció a felső 20 cm-ben 97 g/t, aztán lecsökken 24 g/t-ra, és 15-30 g/t között marad 3 m mélységig. A „B” szelvény ólomtartalma 30 és 40 cm között a legmagasabb, 108 g/t, ami már a beavatkozási határérték felett van. E réteg felett és alatt közvetlenül 91 és 59 g/t-s, lentebb pedig 20-30 g/t közötti értékeket találunk. Megfigyeléseink alapján kijelentjük, hogy az „A” és „B” szelvények hasonlítanak egymásra, vagyis a felszín közelében magas az ólomtartalom, aztán hirtelen lecsökken és azon a szinten marad, ami a háttérkoncentrációnak felel meg. Mivel ezek a szelvények közel voltak egymáshoz, a hasonlóság nem meglepő. Az ólomkoncentráció szignifikánsan kiugró értékeit a szennyezéssel magyarázzuk. Ez a szennyeződés a patak 60 méteres környezetében a távolsággal csökkenő mértékben mindenhol megtalálható, mert a szennyezést itt a finom szemcséjűre őrölt érces meddő okozza, amit áradásokkor a patak lebegtetve tudott szállítani. Amikor a víz kilépett a medréből, lelassult és lerakta apró szemű hordalékát az ártéren. Ez egy időben történt a gátszakadásokkal, 1954-ben, 1960-ban és 1964-ben. A „B” szelvény mintavételi sűrűsége nagyobb, mint az „A”-nál. A mért értékek, nevezetesen a sorban következő 91, 108, 59, 22 g/t alapján azt gondolhatnánk, mivel a legfelső minta kevésbé szennyezett, mint az azt követő, - hogy az eltelt 40-50 év alatt a kontamináció maximuma lefelé vándorolt a talajban. Erről azonban szó sincs, ugyanis a szennyezés kialakulásának megértéséhez hozzátartozik, hogy a patakot időnként kotorják és a kivett anyagot a patak két partjára öntik. Ez látszik is a mintavételi jegyzőkönyvünkből, ahol a legfelső réteget a B, C és D esetekben fiatal feltöltésként írtuk le. Tehát azt, hogy nem a felszín az abszolút legszennyezettebb, a feltöltés okozza. Az „A” és „B” szelvények alapján megállapíthatjuk továbbá, hogy a Toka patak mellett az ártéren a mintavételig eltelt 48 év alatt 10 - 20 cm finomszemű hordalék rakódott le, amit az ólomtartalma által tudunk megkülönböztetni környezetétől. Tehát az átlagos üledékképződési sebesség a finomszemű ásványi anyagra nézve 2-4 mm/év. Az üledékben található feltöltés mennyisége elhanyagolható. A „C” szelvény a háttér ólomkoncentrációt mutatja, tehát hibahatárokon belül megegyezik az „A” és „B” szelvények mélyebben fekvő rétegeinek értékeivel, ugyanis a legtöbb adat a 20-40 g/t-ás intervallumba esik. 29
A „D” szelvény (a patak másik oldalán van) maximális ólomtartalma kiugróan magas, 391 g/t. Ez tartalmazza az oldalról lefényképezett sárga homokot, ami a szennyeződés legfőbb oka. A sárga homok színét a pirit oxidációs termékei, a vasoxi-hidroxidok (goethit, lepidokrit) okozzák. A mállás egyszerűsített reakcióegyenlete: 4FeS2 + 15O2 + 14H2O = 4Fe(OH)3 + 8SO24− + 16H+
A sárga homok, mint azt a neve is mutatja, az ártéri rétegsor többi tagjához viszonyítva a legnagyobb szemcseméretű. Ez a kb. 30 cm vastag réteg nem a lebegtetve szállított, hanem a vonszolva, görgetve vitt hordalékból áll, amit magas vízállás mellett helyenként turbulens áramlások kapnak föl a meder aljának közeléből. A korábbi mérések és modellezések szerint ez a sárga homok lencse alakú formákat képez az említett kaotikus folyamatok során. A „D” szelvény felső 0-20 cm-e 260 g/t ólmot tartalmaz. Az alatta lévőhöz képest alacsonyabb, de még mindig határérték feletti értéket ugyancsak a mederanyagból való feltöltéssel magyarázzuk. A „D” szelvény 50 cm alatt állandó, 40-90 g/t ólomkoncentrációjú, ami erre a területre nézve háttérértéket jelent. A szennyeződés nagysága a patak túlsó oldalán lévő „A” és „B” szelvények esetén kisebb, de a lerakódás mechanizmusa és a domináns szemcseméret is más. Tehát három féle réteget tudtunk megkülönböztetni: egyik a háttérkoncentrációkat, másik a finomszemű lebegtetve szállított üledéket és fölötte a kiemelt feltöltést, a harmadik a „sárga homokot” reprezentálja. A koncentrációértékek alakulásából levonhatjuk a következtetést, mely szerint az ólom migrációja nem számottevő, a talajvíz szintjét emberöltők alatt sem éri el. Amikor pedig majd mégis odaér, a laterális migráció lesz a meghatározó, mert a talajvíz normális körülmények között a patak felé áramlik.
30
A cink Valamennyi irodalmi forrás arról számol be, hogy a cink egy kicsit mobilisabb elem, mint az ólom. Ezért megnéztük, hogy látszik-e ötven év távlatából a vertikális migrációja.
Az "A" és "B" szelvény relatív cinktartalma 1000
"B" szelvény [cm] [g/t] +/15 771 39 35 656 36 45 487 40 125 375 48 235 268 22 275 301 30 285 314 41 295 519 32
"A" szelvény [cm] [g/t] +/10 690 41 90 419 28 180 369 86 215 230 45 265 392 61
900 800
rel. c Zn [g/t]
700 600 500 400 300 200
A B
100 0 0
50
100
150
200
250
300
mélység [cm]
A "C" szelvény relatív cinktartalma 450 400 350
rel. cZn [g/t]
300 250 [cm] 35 65 135 225 255 265 275 285 295 305 315
200 150 100 50
Adatok [g/t] +/297 72 251 70 289 91 201 79 207 85 218 82 299 31 201 70 275 50 362 46 261 73
0 0
50
100
150
200
mélység [cm]
31
250
300
350
A "D" szelvény relatív cinktartalma 2500
rel. cZn [g/t]
2000 [cm] 10 35 65 90 110 130 170 230 280
1500
1000
Adatok [g/t] +/2026 58 2159 77 1086 54 923 59 869 65 570 55 283 53 270 48 163 75
500
0 0
50
100
150
200
250
300
mélység [cm] Láthatjuk, hogy az „A” és „B” szelvények ismét hasonló nehézfémtartalmúak. A felső 40 cm a finomszemű üledék miatt magas cinktartalmú, alatta a háttér szintjét látjuk, ami 200-300 rel. g/t. Az átmenet a két féle réteg között nem éles, a sűrűbb mintavételű „B” szintből egy 20 cm vastag köztes réteget figyelhetünk meg. Az „A” szelvényben a 20-tól 160 cm-ig terjedő réteg vastagsága túl nagy ahhoz, hogy a migrációt észleljük. Az átmeneti réteg szembetűnőbb a „D” rétegben, ahol 90 cm vastag. Ugyanakkor ebben a sárga homokkal szennyezett szelvényben háromszor akkora a cink koncentrációja, mint az „A” és „B” esetben. Az ólomnál ugyanez a hányados 4 volt, ami egybecseng avval, hogy a cink egy része (kb. negyede) a szennyezett rétegekből már lejjebb vándorolt, így az 50 cm körüli szennyezés lecsökkent. A „C” szelvény itt is a háttérkoncentrációt mutatja, kb. 200-300 relatív Znkoncentráció egység a leolvasható érték, a vertikális profil konstans.
32
A cérium A következő mérendő elemet úgy választottuk ki, hogy – szemben a cinkkel és ólommal – nem a környezetre gyakorolt hatás volt az elsődleges cél, hanem a műszer lehetőségeinek minél teljesebb kihasználása, megbízható adatok nyerése. Ebből a szempontból készítettünk táblázatot a mérési módszer teljesítőképességéről és választottunk olyan elemet, ami a meddőhányóban is előfordul.
241
Mn
XRF_ Am XRF 125I PIXE ++ meddőben ++ Nb XRF_ Am ++ XRF 125I ++ PIXE + ércben + 241
jelmagyarázat XRF_241Am XRF_125I PIXE ércben
Fe +++ +++ +++ ++
Ni +
Cu + + + +
Mo
Cd +
Sn +
+
+
Zn + ++ ++ +
Ga
As
Rb ++ ++ ++
Sr + + ++ +
Y
+ +
+ ++ ++
Sb +
Ba +++
La ++
Ce +++
Pr +
Nd ++
+
++
+
+
+
+
+
+
+++
jó statisztikával kiértékelhető főalkotó
++ mennyiségi elemzésre alkalmas mellékalkotó
Zr ++ ++ ++ + Pb + ++ + +
+ csak kvalitatív megállapítások lehetségesek nyomelem
A választás tehát a cériumra esett, mert két jól értékelhető vonala is van az amerícium forrással felvett spektrumokban és mint mindenhol, a meddőhányóban is megtalálható.
33
Az "A", "B" és "C" szelvények cériumtartalma 160 140 120
cCe [g/t]
100 80 [cm] A 10 A 90 A 180 A 215 A 265
60 40
[g/t] +/139,1 11,6 158,5 9,4 143,4 8,5 137,8 8,8 120,1 8,3
20
[cm] B 15 B 35 B 45 B 125 B 235 B 275 B 285 B 295
[g/t] 108,6 111,9 156,9 148,7 119,0 124,2 114,6 139,2
+/7,8 7,0 2,0 1,5 4,0 1,5 7,4 8,3
[cm] C 35 C 65 C 135 C 225 C 255 C 265 C 275 C 285 C 295 C 305 C 315
[g/t] 149,0 163,5 147,6 122,4 146,0 132,3 113,8 118,1 114,7 113,5 129,0
+/2,9 3,1 4,6 2,7 3,0 3,0 1,6 2,8 2,7 2,8 2,8
A B C
0 0
50
100
150
200
250
300
mélység [cm]
cCe [g/t]
A "D" szelvény cériumtartalma 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
[cm ] 10 35 65 90 110 130 170 230 280
0
50
100
150
200
mélység [cm] 34
250
Adatok [g/t] 125,8 104,3 134,8 122,1 125,7 159,8 169,8 135,2 143,5
+/5,4 7,5 6,0 5,6 4,2 8,9 9,1 5,8 6,5
300
Az ábrákból első közelítésként leolvasható, hogy a talajok cériumtartalma 100 és 170 g/t határokon belül mozog. Ebből arra következtetünk, hogy a szennyezés nem koncentrált sokkal több cériumot, mint amennyi amúgy is van a talajokban. Az eredményeket alaposabban megvizsgálva a „B” rétegsorban láthatunk egy alacsony maximumot 20 és 200 cm között. Az „A” és „C” szelvények szintén konstans függvénnyel
közelíthetők
leginkább.
A
„D”
szelvény,
aminek
ólom-
és
cinkkoncentrációja még a többihez viszonyítva is nagyon magas volt, a cérium szempontjából a szennyezéssel nem hozható összefüggésbe. A Ce migrációjánál így nem sikerült új információt megtudni, hiszen a szennyezés nem emelkedik ki az átlagos cériumtartalomból.
PIXE mérések Öt kiválasztott pasztillát az eddigi mérésektől függetlenül analizáltunk. A PIXE méréseket a KFKI Részecske és Magfizikai Intézetének Van de Graaf gyorsítójával végeztük. Ez szintén egy elemanalitikai módszer, az elv is majdnem ugyanaz, csak itt nem röntgenfotonokat, hanem protonokat ütköztetünk az atomokkal. Abban is hasonlít az XRFA-ra, hogy a mátrixhatást kiküszöbölendő, belső standardokat kell használni abszolút mennyiségek meghatározásakor. Az öt mérés ehhez kevés, ezért relatív összehasonlítást végeztünk. Az öt PIXE mérés Kα csúcsainak terület-átlagát azonosítottuk az XRFA-val már ismert koncentrációk átlagával. Ezzel egy pontot összehangoltunk a két mérés között. További négy érték mutatja a koncentrációk relatív eloszlását. A PIXE mérések során az XRFA által vizsgált elemek közül az ólmot és a cinket mértük.
35
Ólom mérése PIXE módszerrel 100
80
XRFA PIXE
rel. cPb
60
40
20
0
-20 1.
2.
3.
4.
5.
5 db pasztilla
Cink mérése PIXE módszerrel 550 500 450
XRFA PIXE
400
rel. cZn
350 300 250 200 150 100 50 0 1.
2.
3.
4.
5.
5 db pasztilla
A minták koncentrációinak relatív értékei a két mérés során hibahatárokon belül megegyeznek mind a két vizsgált elemre. Tehát sikeresen ellenőriztük a kalibrációs módszert. 36
5. Összefoglalás A szakdolgozati munka során megismertük a gyöngyösoroszi ólom- és cinkércbánya környezetre gyakorolt hatását, a szennyezés következményeit és a társadalom által adott választ. A különböző kutatócsoportok vizsgálatait és megállapításait egy korábbi de sokkal kiterjedtebb összefoglaló elemzés alapján értelmeztük és egységes racionális rendszerbe foglaltuk. Azonnali válaszadás és problémamegoldás szükségessége minket nem kötött, ezért egy nagyobb, történelmi időintervallumot tekintve eddig kevéssé vizsgált kérdéseket fogalmaztunk meg és adtunk választ rájuk. A dolgozat eredményei az ólom, a cink és a cérium koncentráció vertikális profiljának meghatározására alapulnak. Ezeket a nehézfémeket négy darab három méter mélységű talajszelvényben 30 mintát véve vizsgáltuk. Az analízist ED-XRF és PIXE mérésekkel végeztük, a spektrumokat a Camcopr és az Axil programokkal értékeltük ki. A mérések azt mutatták, hogy az ólom koncentrációja az első két szelvényben élesen csökken a 40-50 cm mélységű szintnél. Ezt úgy értelmeztük, hogy a finomszemű
üledék,
amit
a
Toka-patak
áradásai
hoztak
az
ércbánya
meddőhányójáról, kiülepedett kb. 10-20 cm vastagságban 20 és 40 cm mélység között. Ebből a rétegből 50 év alatt az ólom nem vándorolt lejjebb, a migrációja nem kimutatható. A szennyezett réteg alatt az ólom háttérértéket mutat, vagyis több mint két méteren
keresztül
20-50
g/t-át.
A harmadik
szelvénynél
ugyanezt
a
háttérkoncentrációt láttuk a teljes szelvényben, mivel a pataktól 60 méterre található, ahová már nem jutott számottevő mennyiségű finomszemű üledék. A negyedik szelvény ólomkoncentrációja a felső rétegben kiugróan magas (közel 400 g/t), ezt a patak másik oldalán található nagy szemcseméretű szilárd szennyezőanyag tartalmú lencse egy áradáskori képződésével magyaráztuk. A cink eloszlása hasonlít az óloméra. A különbség, hogy a szennyezett réteg alatti (50-140 cm-es mélység) cinkkoncentráció is magasabb már, mint a háttér. Ennek oka a cink migrációja.
37
A cérium koncentrációja a szelvényekben konstans, ha érkezett is valamennyi cérium a szennyezőanyagban, az elhanyagolható a talaj egyébként is magas cérium tartalma mellett. Tehát az ismert gyöngyösoroszi ólomszennyezést megvizsgálva 3 méter mélységig ED-XRF módszerrel, az ólom migrációját elhanyagolhatónak tapasztaltuk, a szennyezett rétegek között éles átmenetet mértünk az ólom- és a cink-koncentráció értékeiben. Mindezeket a következtetéseket, a kutatás menetét és részleteit az interneten keresztül is közre bocsátottam a tokapatak.in.hu címen.
Fotó: Harangozó Dávid
38
6. Környezetfizika gyakorlófeladatok Bevezetés Az
RFA
alapos
kiismerése
után
alkalmam
nyílt
közreműködni
a
környezettudományi szakos hallgatók „Környezetfizikai Módszerek” laboratóriumi gyakorlatán. Ez egy 3 órás stúdium, melyet 4 fős csoportok látogatnak. Ebben a szemeszterben 8 ilyen csoport volt, egy részük korábban már megismerkedett evvel az analitikai módszerrel, körülbelül a felüknek-kétharmaduknak volt újdonság. A gyakorlathoz a következő tennivalók tartoztak: •
otthoni felkészülés kiadott jegyzet alapján
•
felkészülés ellenőrzése zh-val
•
a műszer működési elvének összefoglalása tekintettel a zh-ban ejtett hibákra
•
a műszer részeinek ismertetése, a hozzá tartozó szoftverek bemutatása, spektrumok multi-Gauss függvénnyel való közelítésének gyakorlata
•
energia-kalibráció kimérése
•
a Moseley törvény paramétereinek becslése ásványok spektrumaiból
•
a műszer felbontóképességének meghatározása
•
kvalitatív analízis ásványokkal, ékszerekkel, nehézfémtartalmú technogén melléktermékekkel
•
kvantitatív analízis o levélminta ólomtartalma o talajminta Pb- és Ce-tartalma
•
jegyzőkönyv piszkozat írása óra alatt, tisztázása később
A zh-ra és a jegyzőkönyvre mindenki osztályzatot kapott, mely beleszámított a környezetfizika gyakorlat végeredménybe. A gyakorlatot színesítették az eddig alkalmazott és újonnan bevezetett érdekes számolási példák. Ezek számossága azt is elősegítette, hogy a különböző csoportok jegyzőkönyvei személyre szabottak lettek. Ezen laboratóriumi gyakorlat és a tanítási gyakorlat tapasztalatai alapján a szakdolgozatom
pedagógiai
részének
célja 39
gyakorlófeladatok
összegyűjtése
környezetfizika témában, ezeket olyan témák köré csoportosítva, melyek a szakdolgozati méréseim és a laboratóriumi gyakorlat köré csoportosul. A feladatokat három tematikus részre tagoltam: Radioaktivitás, atomenergia és elemanalízis. A feladatok célközönségét a középiskolás diákoktól az egyetemi hallgatókig terveztem. A radioaktivitásról szóló fejezet alapvetően középiskolás anyagra épít csak, a végén egy kicsit ezen túlmegy azok számára, akik hozzáolvasnak a kötelező anyaghoz. Az atomenergia fejezet is a középiskolások számára megoldható feladatokkal kezdődik, de sok példa alkalmas a fizika vagy környezettan BSc szakos egyetemi hallgatók szakismeretének elmélyítésére. Az elemanalízissel foglalkozó rész a fent említett laboratóriumi gyakorlathoz használható leginkább. A számolási feladatok mellé egy általános feleletválasztós tesztet is összeállítottam, ami középiskolások érdeklődésének megfelelő kérdéseket ölel fel, és a gyakori környezettannal kapcsolatos tévedéseket próbálja korrigálni, illetve a diákok gondolkodását helyes irányba terelni. A feladatsorok előtt röviden összefoglalom azt a tudásanyagot, amire a feladatok megoldásai épülnek.
Általános teszt a radioaktivitásról 1. Honnan származik a geotermikus energia? a. a Föld hősugárzásából b. a Föld és más bolygók gravitációs vonzásából c. radioaktív bomlásból
2. Melyik igaz? a. A béta sugárzás során a kilépő elektron az atomhéjról lép ki. b. Az alfa sugárzás során a rendszám kettővel csökken.
c. A béta sugárzásnál a tömegszám is változik. 3. Honnan származik az az energia, amit a Nap fénysugárzás formájában ad le? a. A benne lévő gázok világítanak. b. Magfúzióból.
c. A nehéz magok égéséből. 4. Melyik igaz? a. A gamma sugárzást tartósításra is használják.
b. A gamma sugárzással sterilizált rovarok radioaktívak lesznek. 40
c. A daganatok gyógyításánál az egészséges sejtek nagy része elpusztul. 5. Melyik igaz? a. A béta sugárzás elleni védekezésre kis rendszámú elemek a jók. b. Az alfa sugárforrás szervezetbe kerülve jobban roncsol, mint a béta.
c. A gamma sugárzás az elektronhéjról indul ki. 6. Milyen kőzetbe helyezhetik leginkább a radioaktív hulladékot? a. gránit
b. lösz c. homok 7. A Paksi Atomerőműre a következők közül melyik igaz? a. A reaktor hasadó anyagát, az uránt, dúsítják.
b. A reaktorban bármilyen radioaktív anyag felhasználható hasadóanyagként. c. A reaktor működéséhez hőenergiára van szükség. 8. Hogyan határozhatjuk meg egy anyag elemi összetételét? a. egyszerű mikroszkóppal b. röntgen-fluoreszcenciás analízissel
c. digitális fényképezéssel 9. Melyik radioaktív sugárzás az alábbiak közül? a. napsugárzás b. hősugárzás c. alfa sugárzás
10. Melyik igaz az alábbiak közül? a. A kvarkok atomokból állnak. b. Az atomok elektronokból és kvarkokból állnak.
c. Az atommagok elektronokból állnak. 11. Milyen magfolyamat megy végbe a csillagokban? a. hasadás b. fúzió
c. szupernóva robbanás 12. Hol van természetes reaktor? a. Dél-Mecsekben b. Oklóban 41
c. Atlanti-óceánban 13. Milyen irányból érkezik a kozmikus sugárzás legnagyobb része? a. függőlegesen fölülről
b. vízszintes irányból c. a Föld magja felől 14. Hogyan lehet elemi részecskék segítségével gyógyítani? a. Protontablettát kell bevenni enyhén citromos vízzel. b. Felgyorsított részecskenyalábbal kell besugározni a daganatot.
c. Elemi részecskékkel töltött alkoholgőzt kell inhalálni. 15. Milyen nagyságú radioaktív dózis okoz közvetlen egészségkárosodást az emberben? a. A kozmikus sugárzás is káros. b. 1 mSv évente. c. 200 mSv-nél nagyobb dózis évente.
16. Milyen folyamat megy végbe az atomreaktorban? a. hidegfúzió b. maghasadás
c. urán égése 17. Mire használják a röntgen-fluoreszcencia analízist? a. gyógyítás b. anyagszerkezet vizsgálat c. elemösszetétel vizsgálat
Radioaktivitás, bomlástörvény fogalmak: felezési idő, bomlási állandó, radioaktív egyensúly, természetes izotópgyakoriság, alfa-, béta- és gamma-bomlás, sugárzások elnyelődése törvények: exponenciális bomlástörvény, aktivitás arányos a részecskeszámmal 1) Az aktivitás régi mértékegysége a Curie volt, mely az 1 g 226Ra-ban bekövetkezett bomlások száma 1 másodperc alatt. Hány Bq az 1 Curie? T 1 = 1600 év 2
42
Megoldás 6 ⋅ 10 23 N= = 2,655 ⋅ 10 21 az aktív magok száma 226 ln2 A = N⋅ = 3,7 ⋅ 10 10 Bq = 1 Curie T 2) Az emberi testet kívülről érő sugárzások közül az α-sugárzás a legkevésbé veszélyes, de ha az α -bomló anyagot belélegezzük, az nagyon veszélyes. Miért? Megoldás A kívülről jött α -sugárzást már a bőrfelület elnyeli, nem is kerül be a szervezetbe ebben az esetben. Ha ellenben az a sugárzó izotóp (pl. radongáz szilárd, de még szintén radioaktív bomlástermékei) bekerül a szervezetbe és ott bomlik, az α részecske igen rövid úton veszti el a teljes energiáját, így roncsolva a sejteket. Így csökken a tüdő oxigénfelvevő felülete. 3) Tegyük fel, hogy 4 db olyan atommagunk van, melynek felezési ideje 15 perc. Mi a valószínűsége annak, hogy a következő 15 percben egyik atom sem bomlik el? Megoldás Annak a valószínűsége, hogy egy atom elbomlik a felezési idő alatt, az 50%. Hogy nem bomlik el, annak szintén 50% a valószínűsége. Az atomok bomlása egymástól független, tehát a négy atom el nem bomlásának valószínűsége 0,54 = 0,0625 4) Jelenleg a földkéreg minden
40
K atomjára 300
40
Ar atom jut. A
40
K atomok kb
11%-a bomlik 40Ar-ra 1,3.109 felezési idővel, a többi α - bomlással. Határozza meg a földkéreg életkorát abból a feltevésből kiindulva, hogy az összes, a Földön található
40
Ar atom
40
K atomokból keletkezett elektronbefogással és ki tudott
diffundálni a légkörbe. A 40K felezési ideje 1,3 milliárd év.
43
Megoldás A
40
40
K atomok 11%-a bomlik a
keletkezése után t idő múlva a
λ=
K + e− ⇒
[
]
N Ar (t ) 0,11⋅ 1 − e − λt = = 0,11⋅ 1 − e λt = 300 , − λt N K (t ) e
(
szerint. A földkéreg
K atomok száma: N K (t ) = N K (0) ⋅ e − λt , ahol
N Ar (t ) = 0,11⋅ [N K (0) − N K (t )] = 0,11⋅ N K (0) ⋅ 1 − e λt
)
Ar + ν
40
ln 2 . Ugyanakkor az 40Ar atomok száma T
(
40
)
ahonnan
e λt = 2728,27 ,
t = 1,48 ⋅ 10 10 év . A földkéreg átlagos korát 3,8.109 évre teszik. Az eltérés oka, hogy a keletkező argon jelentős része a kőzetekben fogva maradt. 5) Egy palack bort mint 100 éves ritkaságot árvereznek. A vásárló 1000 dollárt fizet érte, majd utána megméri az aktivitását és azt 24 Bq/m3, azaz az esővízhez viszonyítva 256-od annyinak találja. Megérte-e a bor az árát? (A trícium felezési ideje 12,3 év.) Megoldás 1 1 = 8 vagyis kb 8-szor járt le a felezési idő, mivel az aktivitás valószínűleg a 256 2
tríciumtól származik. t = 8 ⋅ T 1 = 98,4 év , tehát a bor valóban 100 éves. 2
6) Mekkora egy liter vér aktivitása? A kálium normál szintje a vérplazmában 3,8 és 5,2 mól között van literenként. A radioaktív
40
K a teljes kálium mennyiségének
0,0118%-a, felezési ideje 1,27 milliárd év. Megoldás At = N t ⋅
ln 2 , ahol N t = 1,18 ⋅ 10 −4 ⋅ 3,8 ⋅ 10 −3 ⋅ 6 ⋅ 10 23 = 2,69 ⋅ 10 17 T
A1 = 4,671Bq, A2 = 6,391 Bq 7) A
125
I felezési ideje 59,6 nap. Mikor csökken egy ilyen izotópból készült radioaktív
forrás kezdeti aktivitása a harmadára? 44
Megoldás
λ = bomlási állandó T = idő (felezési, 'harmadolási') A = aktivitás N0 = darab 125I atom
λ=
ln 2 ln 2 = = 1,346 ⋅ 10 −7 T1 59,6 ⋅ 24 ⋅ 60 ⋅ 60
1 s
2
A = N 0 ⋅ e −λT − λT 1 N0 = N0 ⋅ e 3 3 1 ln = −λ ⋅ T 13 3 − 1,099 T 13 = − 1,346 ⋅ 10 −7
8) A
kálium-argon
1 s
= −8162000s = 94,5 nap
óra
Kőzetmintákba bezárt
segítségével 40
Ar és
megmérhetjük
a
kőzetek
életkorát.
40
K izotóp mennyiségét határozták meg. Egy
grönlandi kőzetben az anyagmennyiségeik arányát 0,77 értékűnek találták. (argon/kálium) Milyen idős a földkéreg ezen darabja? (A radioaktív kálium 11%-a bomlik argonná, felezési ideje 1,27 milliárd év.) Megoldás t N Ar (t ) (N K (0) − N K (t )) ⋅ 0,11 T 1 = = 2 − 1 ⋅ 0,11 = N K (t ) N K (t ) 0,77 t T
2 =8 t = 3,8 ⋅ 10 9 év 9) Határozza meg annak az ókori fából készült tárgy életkorát, amelyben a 14
fajlagos aktivitása 3/5-ször kisebb, mint egy épp most kivágott fában. A 14C felezési ideje 5370 év.
45
12
14
C
C = 10 −12 C
Megoldás t
− 3 A(0) = A(0) ⋅ 2 T 5 lg 0,6 = 4223 év t = −T ⋅ lg 2
10) Egy üzemben műanyag fólia vastagságát radioaktív izotópos módszerrel mérik. A fólia folyamatosan a sugárzó forrás és a detektor között halad át. A sugárzás épp felére gyengül az előírt vastagságú fólián való áthaladás közben. Mennyire gyengül a detektált sugárzás intenzitása, ha a fólia 10%-kal kisebb vastagságú? Megoldás Osszuk fel gondolatban a fóliát felületeivel párhuzamos csíkokkal 10 egyező vastagságú részre! A sugárzás intenzitása minden részfólián való áthaladáskor annyiad részére csökken, hogy végül feleződik. I10 = I 0 ⋅ k 10 = 0,5 ⋅ I 0 k = 10 0,5 = 0,933
A
10%-kal
kisebb
I 9 = I 0 ⋅ k = 0,5 9
9 10
vastagságú
fólián
áthaladó
sugárzás
intenzitása:
= 0,536
Tehát 53,6% megy át a vékonyabb fólián. 11) Mekkora az 5.108 Bq aktivitású tiszta
60
Co izotópot tartalmazó mintának a
tömege? (5,24 év a felezési idő) Megoldás N A ⋅ m ⋅ ln 2 T ⋅M A ⋅T ⋅ M = 11,9 µg m= N A ⋅ ln 2 A=
12) A sötétben is világító számlapos órákhoz 10-6 g
226
Ra izotópot használnak. Hány
gramm rádium bomlik el 50 éves használat alatt? (1602 év a felezési idő)
46
Megoldás −
N (t ) = N (0 ) ⋅ 2 M m =N⋅ 6 ⋅ 10 23 m(t ) = m(0) ⋅ 2
t T
−
t T
= 0,978 ⋅ 10 −6 g
m(fogyott ) = m(0) − m(t ) = 2,1⋅ 10 −8 g 13) A csernobili katasztrófa után a helybeliek pajzsmirigyének aktivitása 1 kBq körül volt. Mennyi idő alatt csökkent ez 100 Bq alá? Ez a
131
I izotóptól származott,
melynek fizikai felezési ideje 8,05 nap, a cézium kiürülésének biológiai felezési ideje pedig 120 nap. Megoldás Az aktív magok száma egyrészt radioaktív bomlásuk következtében csökken: N (t ) = N (0 ) ⋅ 2 N (t ) = N ( 0 ) ⋅ 2
−
t Tfiz
−
t Tfiz
, ⋅2
másrészt −
t Tbiol
= N (0 ) ⋅ 2
biológiai t t − + Tfiz Tbiol
kicserélődésük
következtében:
Bevezethetünk egy ún. effektív felezési időt:
1 1 1 = + , ebben az esetben Teff Tfiz Tbiol
Teff = 7,544 nap. Így: A = A0 ⋅ 2 t = −Teff ⋅
−
t Teff
lg AA0 lg 2
= −Teff ⋅
lg 0,1 = 25 nap lg 2
14) A környezet- és egészségvédelmi előírások szabályozzák, hogy mikor lehet radioaktív hulladékot a csatornarendszerbe kiönteni. Például
32
P izotópból csak
akkor, ha annak aktivitása legfeljebb 20 MBq m 3 . Mennyi ideig kell tárolni a literenként 8.107 Bq aktivitású hulladékot? A 32P felezési ideje 14,2 nap.
47
Megoldás A(t ) = A(0) ⋅ 2
−
t T
7
, innen t = −T
10 lg 82⋅⋅10 10
lg 2
= 170 nap
15) Egy átlagos lakásban m3-enként 1 s alatt 50 bomlás következik be a radongáz jelenléte miatt. Hány bomlás következik be éppen a tüdőben 1 óra alatt a belélegzett radon következtében? A tüdőben átlagosan 2 l levegő mindig van. Megoldás V = 2l = 2 ⋅ 10 −3 m 3 t = 1 óra = 3600 s Nbomlás = 50 V ⋅ t ⋅ Nbomlás = 360 db 16) Milyen nyomású 27°C hőmérsékletű radon van egyensúlyban 1 gramm rádiummal egy 100 cm3-es térfogatú edényben? Felezési ideje 1602 év. Megoldás 226
Ra ⇒
222
Rn + α
Radioaktív egyensúly esetében az aktivitások megegyeznek. ln 2 ln 2 ⋅ N1 = ⋅ N2 T1 T2 N1 = N 2 ⋅
T1 3,82 1 = ⋅ 6 ⋅ 10 23 ⋅ = 1,736 ⋅ 10 16 db T2 226 1602 ⋅ 365
Továbbá az ideális gáz állapotegyenletének felhasználásával: pV = N1kT p=
N1kT = 0,719 Pa V
17) Egy széntüzelésű hőerőmű 327°C hőmérsékletű és 105 Pa nyomású füstjének a 222
Ra izotóptól származó aktivitása 50 Bq/m3. Mekkora a szén 3
238
U izotóp
tartalma? 1 kg szén elégetéséhez 8 m azonos állapotú, gyakorlatilag radon mentes levegőt használnak fel. 48
Megoldás A keletkezett füstgáz térfogata: V1 = 8m 3 ⋅
600,2K = 15,99m 3 , ha feltételezzük, 300,2K
hogy az anyagmennyiség a szén elégetése során nem változik. A szén 1 kgjában található m gramm 50
Bq ⋅ 16m 3 = 800Bq 3 m
238
U izotóp aktivitása megegyezik a füstgáz
aktivitásával.
Ennyi
aktivitást
N=
800s −1 ⋅ 4,51⋅ 10 9 ⋅ 3,156 ⋅ 10 7 s = 1,643 ⋅ 10 20 uránatom biztosít. Ennek tömege: ln 2
m=
1,643 ⋅ 10 20 kg ⋅ 0,238 mol = 6,493 ⋅ 10 −5 kg −1 23 6,022 ⋅ 10 mol
1 tonna szén esetében tehát 65 g/t az urántartalom.
Atomenergia, sugárvédelem Fogalmak: rizikó, energia, atommag, magerő, dózis, pontforrás dózisállandója, radioaktivitás fogalmai. Törvények: energia, energiaátalakulások, energia és a tömeg kapcsolata, átlagos kockázati szint, pontforrás dózisának távolságfüggése. Továbbá: általános ismeretek az atommagokról és a kockázatokról Marx György: Atommagközelben című könyve alapján. 1) A
következő
kölcsönhatásokat
ismerjük:
gravitációs,
elektromágneses,
radioaktivitás és magerő. Vajon melyik kölcsönhatás okozza azt, hogy a következő energiahordozókban energia tárolódik? fa, autók üzemanyaga, szén, szél, víztározó, napsütés, hévizek A fában, szénben, olajszármazékokban az energia a napsütés hatására kerül bele az élő szervezetek működése során. A napsütés az energiáját a Napban zajló folyamatokból veszi, azaz a Nap középső régiójában lezajló magfúzióból. A válasz ezért: magerő. A szél mozgási energiája a felszín különböző felmelegedése miatt alakul ki, ez a napsütésből fakad. Az előző gondolatmenet alapján a válasz ismét: magerő. 49
A víztározók a folyók esését használják ki, ez a víz körforgása miatt lehetséges. A tengerek párolgása miatt kerül a légkörbe a víz, a párolgás hajtóereje a napsugárzás, tehát ismét a magerő áll a háttérben. Napsütés: magerő. A hévizek a földhő miatt melegednek fel. A Föld felszínén kiáramló energia azért lehetséges, mert a föld mélye melegebb. Ez egyrészt a radioaktivitásának köszönhető (nagyobb részben), valamint a Föld kezdetekor még melegebb anyag hőjének maradványa is lehet. Ezért a válasz: radioaktivitás. 2) Az alábbi energiaátalakítási folyamatok során milyen kölcsönhatás segítségével alakul át az energia felhasználható formába? fatüzelés, olajkályha-fűtés, szénerőmű, szélmalom, vízimalom, gejzír Megoldás Az első háromnál elektromágneses kölcsönhatás miatt alakul át az energia, az égés során. Szélmalom: molekulák ütközése (mechanika) és az elektromágneses indukció. Vízimalom: víz magassági energiája tehát gravitációs. Gejzír: radioaktivitás. 3) Hogyan lehet energiát termelni, annak ellenére, hogy az energia megmaradás törvénye mindig fennáll? Megoldás Az energia termelése nem új energia létrehozását jelenti, hanem az energia átalakítását a társadalom számára könnyebben felhasználható energiaformába. Ez a jól felhasználható energiaforma sokszor jelenti a villamos energiát, vagy a részecskék mozgási energiáját, azaz hőt.
50
4) A Földön található hélium a radioaktív bomlások során keletkezett, gyakorlatilag majdnem tiszta 4He. A Holdon nagyobb mennyiségben található 3He a napszél hatására. Nemrég holdi
3
He importját ajánlották a fúziós energiatermelés
megvalósításához, mivel nincs aktív végterméke. Melyik lehet ez a magreakció? Megoldás 3
He + 3 He→ 4 He + p + p
2
H + 3 He→ 4 He + p
5) Az 1960. évben egy légköri atombomba-kísérlet során azonos mennyiségű és
137
Cs került a légkörbe. A
134
Cs felezési ideje 2 év, míg a
134
Cs
137
Cs izotópé 27 év.
Milyen lehet az arányuk napjainkban? Megoldás t = 47év = 1,48 ⋅ 10 9 s −
t T1
1
1
t ⋅ − NCs −137 (t ) NCs −137 (0) ⋅ 2 T2 T1 = = = 3,55 ⋅ 10 6 − szer több 2 t − NCs −134 (t ) NCs −134 (0) ⋅ 2 T2
137
Cs van.
6) Egy atomerőmű aktív zónájában 3.1019 hasadás történik másodpercenként. Határozza meg a reaktor hőteljesítményét, ha hasadásonként 32 pJ energia szabadul fel! Megoldás Az 1 s alatt felszabaduló energia egyben a reaktor termikus teljesítménye: 32 ⋅ 10 −12 ⋅ I ⋅ 3 ⋅ 1019
1 = 10 9 W s
7) Mennyi az α -részecske kötési energiája? Adatok: Mp = 1,007277 ate Mn = 1,008665 ate Me = 0,000548 ate 51
MHe-4 = 4,002604 ate 1 ate = 1,66042 ⋅ 10 -27 kg 1 eV = 1,602177 J Megoldás A kötési energia a tömegdefektusból számolható, ami a He-4 és különálló alkotói között van. ∆m = 2 ⋅ M p + 2 ⋅ M n + 2 ⋅ M e − M 4 He = 0,030376 ate = 5,0437 ⋅ 10 −29 kg
(
∆E = ∆m ⋅ c 2 = 5,0437 ⋅ 10 −29 kg ⋅ 2,9979 ⋅ 10 8
m s
)
2
= 4,5330 ⋅ 10 −12 J = 2,8294 ⋅ 10 7 eV
8) Mennyi a 234Pu α -sugárzásának energiája? 234
Pu ⇒
230
U +α
MPu-234 = 234,04331 ate MU-230 = 230,03392 ate MHe-4 = 4,00260 ate Megoldás A 234Pu α -sugárzása 6,3249 MeV energiájú. 9) Mekkora egy 80 kg-os ember radioaktivitása, ha 70 m/m% vízzel, 30 m/m% szőlőcukorral és 0,3 m/m% káliummal közelítjük a valós összetételét? g MC6H12O6 = 180,2 mol
N 14 C NC
= 2 ⋅ 10 −12
g MH2O = 18,02 mol
NT = 10 −18 NH
N 40 K NK
TC −14 12 = 5730 év = 1,808 ⋅ 1011 s TT 12 = 12,33 év = 3,891⋅ 10 8 s T40-K 12 = 1,26 ⋅ 10 9 év = 3,976 ⋅ 1016 s
52
g MK = 39,1 mol
= 1,18 ⋅ 10 − 4
N Avogadro = 6,022 ⋅ 10 23 db
Megoldás mösszes ⋅ NC −14 =
mC6H12O6 mösszes
⋅ 6 ⋅ N Avogadro ⋅
M H 2O
NC −14 = 9,627 ⋅ 1014 db NC
mC H O m mösszes ⋅ H2O mösszes ⋅ 6 12 6 mösszes mösszes N NT = ⋅2+ ⋅ 12 ⋅ N Avogadro ⋅ T = 4,707 ⋅ 10 9 db M M H2O NH mösszes ⋅ N K − 40 =
Aember =
mK mösszes
MK
ln 2 TC −14 12
⋅ N Avogadro ⋅
⋅ NC −14 +
N K − 40 = 4,362 ⋅ 10 20 db NK
Bq ln 2 ln 2 Bq ⋅ NT + ⋅ N K − 40 = (3691 + 8,4 + 7604 ) = 1,13 ⋅ 10 5 80kg 80kg TT 12 TK − 40 12
10) Statisztikai adatok vannak arról, hogy 10 millió ember közül évente hányan halnak meg különféle okokból. Felsorolunk ezek közül néhányat. Véleménye szerint mi a gyakorisági sorrend? alkohol,
otthoni
baleset,
vasúti
közlekedés,
gyilkosság,
öngyilkosság,
szívbetegség, daganatos betegségek, radioaktív sugárzások, dohányzás, kémiai eredetű légszennyezés Megoldás szívbetegség
36000
daganatos betegségek
28600
kémiai légszennyezés
10000
dohányzás
9000
öngyilkosság
4900
otthoni baleset
1300
alkohol
1000
gyilkosság
300
vasúti közlekedés
230
természetes sugárzás
250
sugárzás lakásban
500
orvosi eredetű sugárzás
170 53
11) Néhány helyen, például Magyarország déli részén az ivóvíz arzént is tartalmaz. Maximálisan 0,05 mg/l a megengedett arzéntartalom. A kockázat ebben az esetben 0,1 mikrorizikó / mg As. Ha valaki naponta 1 l ilyen vizet fogyaszt, mekkora kockázatnak teszi ki magát évente? 1 mikrorizikó R=10-6 kockázat, mely azt jelenti, hogy ha 1 millió embert ekkora kockázatnak tesznek ki, akkor 1 halálos áldozat várható. Megoldás Az év 365 napja alatt 365 l vizet iszik meg, melyben 360.0,05 = 18,25 mg As van, ami 1,8 mikrorizikó rákkockázat, mely halálos kimenetelű lehet. 12) a) A radongáz bomlása egy átlagos magyar lakás levegőjében 30 Bq/m3 aktivitást eredményez, amiből átlagosan 1 mSv dózist kap évente egy ember. Hány halálesetet okoz ez évente Magyarországon, ha 1 mSv dózis R = 50 mikrorizikó kockázatnak felel meg.? b) Szobánkat jól záró ajtókkal, ablakokkal szereljük fel, hogy benntartsuk a meleget. Ennek hatására a szobalevegő aktivitása a fűtési szezonban (kb. fél év) 120 Bq / m3. Mekkora az éves dózis és a kockázat, mely ebből ered? Megoldás a) A kollektív kockázat 50.10-6.107 = 500. Ennyi haláleset írható a radon bomlásának számlájára ebben az esetben. b) Átlagosan egy évre számolva 60 Bq/m3 az átlagos aktivitás, ami 2 mSv dózisnak felel meg, ez R = 100 mikrorizikó kockázatot jelent, a várható halálesetek száma 1000, vagyis duplája. 13) Minimálisan milyen távol kell dogozni egy 0,03766 Bq aktivitású pontszerű
60
Co
forrástól munka közben, hogy az évenkénti kapott dózis kisebb legyen, mint 10 mSv? Megoldás Évi 50 munkahéttel, heti 40 munkaórával számolva: 54
10 4 µSv = 50 ⋅ 40 ⋅ x
µSv óra
µSv óra 0,037 µSv A 5 = K ⋅ r ⋅ 2 = 305 ⋅ 2 óra r r r = 1,5m
x =5
14) A csernobili katasztrófa után miért szedtek KI tablettát az emberek? Megoldás A hasadás során keletkező
131
I izotóp, mint jód, a pajzsmirigyben halmozódik fel.
Ha azonban a bekerülés előtt telítjük jóddal a szervezetet, az nem vesz fel több jódot, így kevesebb 131I radioaktív izotóp kerül a szervezetbe. 15) Egy sugárveszélyes munkahelyen dolgozó nem kaphat nagyobb dózist, mint 25 mSv/év. Feltételezve, hogy ezt rövid időn belül megkapja, mennyire melegíti fel a testét? (Legyen 75 kg a tömege és számoljon a víz fajhőjével.) Miért óvják mégis attól, hogy ennél többet kapjon? Megoldás C H2O = 4,2 ⋅ 10 3
J kg⋅K
m = 75kg D = 25 ⋅ 10 −3
J kg
∆E test = m ⋅ D = 75 ⋅ 25 ⋅ 10 −3 = 1,875J ∆E = m ⋅ D = C ⋅ m ⋅ ∆T ∆t =
D 25 ⋅ 10 −3 = = 6 ⋅ 10 −6 K C 4,2 ⋅ 10 5
Vagyis ki sem mutatható ekkora hőmérsékletemelkedés. Azért veszélyes mégis, mivel ionizáció formájában, nagy adagban kapja, ami biológiailag fontos molekulákat támad meg, így a biokémiailag szabályozott reakcióciklusokat zavarja meg.
55
16) A csernobili atomerőmű katasztrófájából származó radioaktivitás hazánkat is elérte. Ezért 1986-ban egy magyar ember átlagosan 0,2 mSv többletdózist kapott. Hány cigarettával egyenértékű ez? Megoldás 0,025 mikrorizikó, ami egy cigi elszívási kockázatának 4%-a. (fél slukk)
Elemanalízis Fogalmak: elektronpályák, elektronpályák energiája, röntgensugárzás Törvények: Az atomok Bohr-modelljének törvényszerűségei 1) Mi a karakterisztikus röntgensugárzás, és honnan indul ki? Megoldás Egy alapállapotban lévő Z rendszámú atomban a legalacsonyabban fekvő Z energiaszint
mindegyike
betöltött.
Amennyiben
valamilyen
gerjesztés
eredményeképpen egy elektron egy betöltött szintről egy magasabb, be nem töltött szintre kerül, vagy kilökődik az atomból, helyén egy lyuk keletkezik. Elég nagy gerjesztési energia esetén ez a kilökődés bekövetkezhet valamelyik belső szinten. Ilyenkor az atom úgy kerül alacsonyabb gerjesztettségű állapotba, hogy egy magasabb energiaszinten lévő elektron átugrik a kisebb energiájú szintre. Eközben vagy a két héj energiakülönbségének megfelelő karakterisztikus röntgen-foton keletkezik, vagy pedig ez az energia átadódik valamelyik héjelektronnak, és az - a helyén újabb lyukat hátrahagyva - elhagyja az atomot. (Auger-effektus) 2) Mi a Kα-sugárzás? Megoldás Az
L-héjról
a
K-héjra
történő
elektronátmenet
elektromágneses sugárzás.
56
során
felszabaduló
3) Állítsd energia szerinti sorrendbe a következőket: Kα, Lα, Kβ! Megoldás Kα, Kβ, Lα 4) Mi az összefüggés a Kα sugárzás energiája és a kibocsátó elem rendszáma között? Csak a főhéjakat tekintve a karakterisztikus röntgen-fotonok energiáját az E = A ⋅ (Z − B )
2
alakban kereshetjük, ahol A és B illesztő konstansok, Z a
rendszám. Ez a Moseley-törvény. 5) Egy mintában több elem is található. Az egyik karakterisztikus röntgensugárzása gerjesztheti a másik atomot, ami ezután a saját Kα-sugárzását bocsátja ki. Ez a mátrixhatás egyik esete. Milyen feltételnek kell teljesülni az elemek rendszámára ahhoz, hogy ez végbe tudjon menni? Megoldás A nagyobb rendszámú elem Kα-sugárzásának energiája nagyobb legyen, mint a kisebb rendszámú elem K-héján lévő elektron ionizációs energiája. 6) Egy ismeretlen elem karakterisztikus röntgensugárzása (Kα) 10620 eV. Az alábbi adatokat tudjuk néhány elem rendszámáról és Kα-sugárzásának energiájáról: Z
E Kα [eV]
Fe
26
6403
Mo
42
17478
Ag
47
22162
Ce
58
34717
a) Mi az ismeretlen elem? b) Mennyi az A és B paraméterek értéke? 57
Megoldás A felsorolt elemek rendszáma és röntgensugárzásának gyöke között jó becsléssel lineáris kapcsolat van. Ennek az egyenesnek az egyenlete: Moseley összefüggés
(E Kα [eV]) 1/2
200 E1/2 = 3,3179Z - 6,6447
150 100 50 0 0
10
20
30
40
50
60
70
Z
a)
10620 = 3,3179Z − 6,6447 Z = 33,06 (As)
b) Az egyenes általános egyenlete: f x = mx + b A Moseley törvényt hasonló alakra hozva adódnak A és B konstansok értékei. E = A ⋅ (Z − B ) E =
2
A ⋅Z − A ⋅B
A = m = 3,318 A = 11,01 A ⋅B = b 6,645 b = = 2,003 B= A 3,318
7) Jellemezzük egy analitikai műszer felbontóképességét, egy, a statisztikus szórás következtében kiszélesedett jel félértékszélességével!
58
A jel alakját a normális eloszlás sűrűségfüggvénye adja (Gauss fv.):
ahol σ a szórás, m a várható érték. A következőket tudjuk még: m = 833
σ = 10,78 Megoldás A feladat elvégzéséhez meg kell állapítanunk, hogy mekkora az amplitúdó, tehát x = m helyen a függvénynek mi az értéke. 1
σ 2π
⋅e
−
( x − x )2 2σ 2
=
1 10,78 ⋅ 2 ⋅ π
= 0,03701
A kérdés pedig most már az, hogy az amplitúdó felét a Gauss függvény hol veszi fel.
59
0,018504 = 0,018504 = ln
1
⋅e
σ 2π
−
( x − m )2 2σ 2
1 10,78 ⋅ 2 ⋅ 3,142
⋅e
−
( x − m )2 2σ 2
1
1 = ln 2
( x −m )2
e
2σ 2
( x − m )2
0,6931 = ln e
2σ 2
=
( x − m )2 2σ 2
=
(x − m )2 2 ⋅ 10,78 2
161,1 = x − m x = 845,7 félértékszélesség = 2 ⋅ (x − m ) = 2 ⋅ ⋅ ln 2 ⋅ σ 2 = 25,4
8) Talajmintát röntgenfluoreszcencia mérésnek vetünk alá. Az ólom koncentrációjára vagyunk kíváncsiak. A műszer a koncentrációval arányos jelet ad, fotonok száma alapján. Standardként ugyanolyan talajmintát veszünk, de ismert mennyiségű és összetételű ólomtartalmú oldatot adunk a standardekhez. Eredményül a táblázatba foglalt értékeket kapjuk. Számítsuk ki ezek alapján, hogy az eredeti talajmintánk milyen koncentrációban tartalmazta az ólmot!
+cPb NPb K(alfa) [g/t]
tmérési
NPb K(alfa)(1 órára normálva)
[h]
0
6772
16
423,3
352
6466
5
1293,2
96
10490
15
699,3
170
4306
5
861,2
Megoldás
60
NPb K α -250
Talaj Pb tartalmának meghatározása 1600 1400 1200 1000 800 600 y = 2,4415x + 442,04 400 R2 = 0,9976 200 0 -200 -100 50 200 350 +cPb
c Pb( ere det i ) =
442,0 = 181 gt 2,442
61
500
A feladatok megfeleltetése a NAT céljainak A feladatok a NAT következő kiemelt fejlesztési céljaihoz köthetők: Környezeti nevelés
„A környezeti nevelés átfogó célja, hogy elősegítse a tanulók környezettudatos magatartásának, életvitelének kialakulását annak érdekében, hogy a felnövekvő nemzedék képes legyen a környezeti válság elmélyülésének megakadályozására, elősegítve az élő természet fennmaradását és a társadalmak fenntartható fejlődését. Ha a tanulók érzékennyé válnak környezetük állapota iránt, képesek lesznek a környezet sajátosságainak, minőségi változásainak megismerésére és elemi szintű értékelésére, a környezet természeti és ember alkotta értékeinek felismerésére és megőrzésére, a környezettel kapcsolatos állampolgári kötelességeik vállalására és jogaik gyakorlására. A környezet ismeretén és a személyes felelősségen alapuló környezetkímélő magatartás egyéni és közösségi szinten egyaránt a tanulók életvitelét meghatározó erkölcsi alapelv. A környezeti nevelés során a tanulók ismerjék meg azokat a jelenlegi folyamatokat, amelyek következményeként bolygónkon környezeti válságjelenségek mutatkoznak.” Tanulás
Mivel az utolsó feladatcsoport megoldásához táblázatkezelés is szükséges, előtérbe kerül a tanulás címszó alatt kifejtett kiemelt fejlesztési feladat. „… Törekedjen a gondolkodási képességek, elsősorban a rendszerezés, a valós vagy szimulált kísérleteken alapuló tapasztalás és kombináció, a következtetés és a problémamegoldás
fejlesztésére,
különös
tekintettel
az
analízis,
szintézis,
összehasonlítás, általánosítás és konkretizálás erősítésére, a mindennapokban történő felhasználására. …” Egészség
Kisebb mértékben, de a testi egészséggel is összefüggő feladatok révén ezt a fejlesztési feladatot is segíti a példatár: „Figyelmet kell fordítani továbbá a veszélyes anyagok,
illetve
készítmények
helyes
(felismerésére, tárolására).” 62
kezelésére,
legfontosabb
szabályaira
A feladatok összekapcsolása a NAT fejlesztési feladatival A feladatok főként a radioaktivitás tanításánál használhatók fel. De általánosabb szemlélettel
az
alábbi,
NAT
által
kitűzött
fejlesztési
követelményekhez
is
kapcsolhatók (minden esetben a 9-12. osztályosok számára): Földünk és környezetünk
Tájékozottság az időben
A természetföldrajzi folyamatok és a történelmi események időnagyságrendi és időtartambeli különbségeinek tudatosulása. Tájékozottság a környezet anyagaiban
A leggyakrabban előforduló ásványok, kőzetek, nyersanyagok és energiahordozók megismerése. A környezetet károsító leggyakoribb szennyezőanyagok és forrásaik megismerése. Tájékozottság regionális és globális földrajzi-környezeti kérdésekben
Tájékozódás és tájékozottság kialakítása a legfontosabb környezeti veszélyekről, illetve a társadalomra háruló felelősségről a természetes és egészséges környezet megőrzésében, regionális példák alapján. Ember a természetben
Tudomány–technika–társadalom
A tudomány–technika–társadalom komplex összefüggésrendszer kritikus elemzése, problémák felvetése, alternatív megoldások megismerése, egyéni álláspontok kialakítása. Természet
A természet egységére vonatkozó koncepció tudatos alkalmazása. Az ember természeti folyamatokban játszott szerepének kritikus vizsgálata. A jelentkező
63
társadalmi problémák előtérbe állítása, a problémák megoldását célzó egyéni és közösségi cselekvés lehetőségeinek felismerése, elfogadása, e cselekvés vállalása. Tudomány, tudományos világkép, a tudomány természete
A tudomány elméletirányított, de a társadalomban megfogalmazott igényeket kielégítő, a társadalom által értékelt, vagyis mélyen a társadalmi folyamatokba ágyazott tevékenységként történő értelmezése. A tudományos és a nem tudományos elképzelések megkülönböztetésével Technika, technológia
A tudományos eredmények technikai alkalmazásával összefüggő problémák értékelésével kapcsolatban egyéni álláspontok formálása (a tudomány- és technikaellenességhez való viszony formálása). Tudatos és felelős állásfoglalás kialakítása egyes technológiák alkalmazásával kapcsolatban. Megfigyelés, kísérletezés, mérés
Új kísérleti eszközök megismerése, kreatív használat, egyszerűbb kísérleti eszközök készítése.
A
vizsgálatok,
kísérletek
eredményeinek
értelmezése
a
tanult
összefüggések, elméletek fényében. Annak megállapítása, hogy a feltételezett oksági kapcsolatokat alátámasztják-e a kísérletek. Anyag
A világ anyagi természetére vonatkozó elképzelésnek mint a világ egészéről alkotott legáltalánosabb magyarázatok egyikének használata, az anyag általános és elvont fogalmának ismeretében. (A világ egységes, anyagelvű felépítése az elemi részecskéktől a galaxisokig.) Az anyag szerkezete és tulajdonságai összefüggésére vonatkozó ismeretek tudatos használata a természeti, technikai és társadalmi jelenségek magyarázata során. Anyagszerkezet (részecskeszemlélet)
Ismerkedés egy kvalitatív kvantumfizikai részecskeképpel, annak felhasználása jelenségek magyarázatában. Az atomok és a molekulák fogalmának alkalmazása a kémiai kötések, valamint a kémiai folyamatok értelmezésében. 64
Ismerkedés a
modern anyagelméletek legfontosabb sajátosságaival, nyitott kérdések felvetése és megvitatása. Anyagszerkezet (atommag)
Az atommag struktúrájára vonatkozó modellek közül egynek a használata fontosabb jelenségekkel összefüggésben (radioaktivitás, magfúzió, maghasadás). Az anyagszerkezeti ismeretek társadalmi jelentősége
Alternatív
elgondolások
megismerése
és
elemzése
a
nukleáris
energia
hasznosításának társadalmi kérdései kapcsán. A problémák vitákban való feltárása és értékelése, a saját álláspont formálásához szükséges feltételek teremtése. A nukleáris folyamatok gyógyászati alkalmazásaival való ismerkedés, jelentőségük felismerése. Energia
A fizikai, kémiai, biológiai folyamatok magyarázata energiaváltozások segítségével, eközben a tanult fogalmak használata. Az energiaváltozások kiszámítása más adatokból. Természettudományos és hétköznapi problémák megoldása az energia fogalmának segítségével. Az energia terjedése
Az energia terjedésével magyarázható jelenségek anyagszerkezeti ismereteket használó elemzése. Az elektromos, mágneses és elektromágneses (látható fény, stb.) jelenségek gyakorlati vonatkozásainak felismerése, értelmezése, energetikai viszonyai, az energia terjedésében, tárolásában játszott szerepük. Az energia terjedésével
kapcsolatos
néhány
technikai,
gazdasági
folyamat
(pl.
energiatakarékosság kérdései) elemzése. Energiamegmaradás
Az energiamegmaradás törvényének alkalmazása globális, hosszú idejű folyamatok elemzése során. A termodinamika I. és II. főtételének felhasználása az élet kialakulásával,
fennmaradásával
és
az
65
evolúcióval
összefüggő
folyamatok
magyarázata során. A tömeg – energia-ekvivalencia megértése, néhány ezzel magyarázható folyamat megismerése. Az energiaátalakulásokkal kapcsolatos társadalmi, technikai problémákhoz való viszony
Az energiaátalakítással kapcsolatos folyamatok „kényes” kérdései (atomenergia felhasználása, fosszilis energiahordozók felhasználásának környezeti hatásai, az energiatermelésnek a szegénység felszámolásában játszott szerepe stb.) esetén álláspontok, érdekek, értékrendszerek megismerése, megvitatása, saját álláspont formálása. Az ember egészsége
Az emberi szervezetet veszélyeztető anyagok szervezetre gyakorolt fontosabb hatásainak megismerése. Az alkohol, a drogok, a gyógyszerek (kábítószerként történő
fogyasztásuk
esetén),
a
dohányzás
egészségkárosító
hatásainak
megismerése. Az egészség személyes és társadalmi érdekként történő értelmezése. Aktív és tudatos egészségvédelem, másokon való segítés. Fenntarthatóság, a környezet védelme
A
fenntartható
fejlődés
egyes
emberek
és
emberi
társadalmak
általi
veszélyeztetettségének felismerése, az ezzel összefüggő társadalmi folyamatokkal kapcsolatos
kritikus
állásfoglalás,
valamint
cselekvőkészség
kialakulása.
Környezettudatos magatartás kialakítása a hétköznapi élet minden területén, bekapcsolódás környezetvédelmi tevékenységekbe.
Hogy az egyes feladatokat mely fejlesztési célok szolgálatába állítani gondolom, a következő lapon adom meg részletesen.
66
tájékozottság a környezet anyagaiban tájékozottság regionális és globális földrajzi-környezeti kérdésekben tudomány-technika-társadalom természet
x
x
x x
x
x
x
x x x
x x x x
x
x
tudomány, tudományos világkép, a tudomány természete x x x
x
x
x x x x
x
x
x x
x
technika, technológia megítélése
x
x
x
x
x
x
x
67
megfigyelés, kísérletezés, mérés anyagszerkezet (részecskeszemlélet)
x x
x
x
x
x
x
x
anyagszerkezet (atommag) x
x x
x
x
x
x
x
az anyagszerkezeti ismeretek társadalmi jelentősége x x
x
x
a fizikai folyamatok energetikája az energia terjedése energiamegmaradás x
x
x x
x
x
x
x
az energiaátalakulásokkal kapcsolatos problémákhoz való viszony x x
x x
x
x
x x x
egészség x
x
x
x
x
x
fenntarthatóság, a környezet védelme
5 3 8 4 3 7 5 5 3 1 4 3 1 6 3 6 6
3 6 4 2 3 1 4 3 3 4 1 3 7 3 3 1 5
kapcsolódó témák száma
Ember a természetben
x
x
x x
x
x x
x
x
x x
x
x x
anyag
A feladatgyűjtemény és a NAT fejlesztési céljai
tájékozottság az időben
Földünk és környezetünk
Általános teszt a radioaktivitásról 1. x 2. 3. x 4. x 5. 6. x x x 7. x 8. x 9. 10. 11. 12. x x 13. 14. x 15. x 16. x 17. x Radioaktivitás, bomlástörvény 1. x 2. x x 3. 4. x 5. x x 6. 7. x 8. x x 9. x x 10. x 11. 12. x 13. x x x x 14. x 15. 16. x 17. x x
kérdés témaköre, száma
tájékozottság az időben tájékozottság a környezet anyagaiban
x x
x x
x
10 22 10
tájékozottság regionális és globális földrajzi-környezeti kérdésekben
Földünk és környezetünk
x
6 13
Atomenergia, sugárvédelem 1. x 2. x x 3. 4. x x x 5. x x 6. x 7. 8. x 9. x 10. x 11. x x 12. x 13. x 14. x x 15. 16. x x
Elemanalízis 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Σ
kérdés témaköre, száma
tudomány-technika-társadalom természet
x
x
x x
x
x x
x x
x x x
x x x x x x
68
technika, technológia megítélése megfigyelés, kísérletezés, mérés anyagszerkezet (részecskeszemlélet)
x
x
x
x
x
x
x
x x x x
anyagszerkezet (atommag)
x
x x x
x
x x x x
11 12
az anyagszerkezeti ismeretek társadalmi jelentősége a fizikai folyamatok energetikája
x
2
az energia terjedése x x
x x
4
energiamegmaradás
x x
x x
x
x
x
egészség
x x
x
x
x
x x x x x x x x
fenntarthatóság, a környezet védelme
6 7 2 9 7 5 3 4 2 4 4 4 5 3 4 7
4 4 6 6 2 2 1 4
15 18 10 234
az energiaátalakulásokkal kapcsolatos problémákhoz való viszony
kapcsolódó témák száma
Ember a természetben
anyag
x x
x
x x
x x x x x x x x x x
x
21 20 14 11 19 16
tudomány, tudományos világkép, a tudomány természete
A feladatok kapcsolata a környezeti neveléssel A választott szakommal összhangban kiemelem a környezeti neveléshez írt útmutatóból azokat a célokat, melyeket elérni a példatár segíthet, valamint a lehetőségeket, ahol mód nyílik erre. Rendszerszemléletre nevelés
"A tanulókat képessé kell tenni arra, hogy a tanórán szerzett ismereteket össze tudják kapcsolni az élet valós ügyeivel, hogy önmaguk lássák meg a problémákat, azok összefüggéseit, és önmaguk keressék az arra adható válaszokat. Ennek során el kell jutni odáig, hogy a tanulók képesek legyenek megérteni a fejlődés és környezet kérdéseinek összefüggő rendszerét.” A természet, az élet, a biológiai sokféleség jelentőségének megértése
"Az ember a természet része, csak akkor van esélye a boldogulásra, ha együttműködik környezetével, és nem uralkodni akar felette, ami a természet törvényeinek megértését, az élet minden formájának elismerését feltételezi. Fel kell fedeztetni, hogy biológiai sokféleség nélkül nincs emberi létezés sem.” Az iskoláknak a fenti célokat az összegyűjtött példákon keresztül a fizika, illetve ritkábban a földrajz oktatása során nyílik lehetőségük kitűzni. Természetesen a további, általánosabb lehetőségek is rendelkezésre állnak: •
a kerettantervi tartalmak kiegészítése a környezetre vonatkozó helyi tananyaggal;
•
a szabadon tervezhető időkeret terhére önálló környezeti tartalmú tantárgy megszervezése;
•
olyan integrált tantárgy létrehozása, mely az összevonás révén erősíti az egészleges szemlélet kialakulását;
•
az osztályfőnöki órák témái között az ember és környezete kapcsolatára vonatkozók megtervezése;
•
külön eljárás során engedélyezett önálló környezeti nevelési szemléletű tantárgyi tanterv, iskolai program szerinti tanítás; 69
Bibliográfia •
Fekete Zoltán, Hargitai László, Zsoldos László: Talajtan és agrokémia, Budapest, Mezőgazd. K., 1964.
•
Filep György: Soil chemistry (Process and constituents), Akadémiai K., 1999.
•
Filep György: Soil pollution, Mezőgazdasági Egyetem, Debrecen, 1998.
•
Filep György: Talajvizsgálat, Debrecen, 1988.
•
Fügedi
Ubul,
Horváth
István,
Ódor
László:
A
gyöngyösoroszi
környezetszennyezés, http://lazar.web.elte.hu/toka/fugediubul.doc •
Ódor, L., Wanty, R.B., Horváth, I., Fügedi, U., 1997c. Mobilization and attenuation of metals downstream of a base-metal mining site in the Mátra Mountains, northeastern Hungary. In: Wanty, R.B., Marsh, S.P., Gough, L.P. (Eds.),
4th
International
Symposium
on
Environmental
Geochemistry
Proceedings. U.S. Geol. Surv. Open-File Rep. OF97-496, 100 pp. •
Gagyi Pálffy András: A gyöngyösoroszi ólom-cinkércek nehézszuszpenziós dúsítása,1958
•
Hegedűs
András:
Környezetünkbe
beépülő
ólomtartalom
vizsgálata
röntgenfluoreszcencia analízissel, ELTE TTK, 1999. •
Hinrich L. Bohn, Brian L. McNeal, George A. O'Connor: Talajkémia, Mezőgazdasági és Gondolat Kiadó, 1985.
•
B. Horvath, K. Gruiz: Impact of metalliferous ore mining activity on the environment in Gyöngyösoroszi, Hungary, Technical University of Budapest, Department of Agricultural Chemical Technology, 1995. dec. 20.
•
Horvath, B., J. Beko, A. Csiszer, V. Zsilak, G. Marlovits, M. Munkacsi and A. Papp, 1991. Recultivation of Gyöngyösoroszi Tailing Dump. Project Report, Budapest
•
Kádár Imre: Környezet- és természetvédelmi kutatások (A talajok és növények nehézfémtartalmának vizsgálata), MTA-TAKI, Budapest, 1991.
•
Kádár Imre: Szennyezett területek/talajok mintavételének problémái, in Agrokémia és talajtan, 2000 NO. 3-4 541p
•
Kiss János: Ércteleptan (Gyöngyösoroszi ércteléreinek elemzési adatai) 70
•
Komenczi
Bertalan
gyöngyösoroszi
(ed.),
Hulladék
1993:
Vélemények
Akkumulátor
és
feldolgozó
kiegészítések Üzem
a
Környezeti
Hatástanulmányához az Ipari és Kereskedelmi Minisztériumban készített Indító Feljegyzéshez. Kézirat, p. 20. MÁFI környezetföldtani főosztály irattára. •
Kovács Balázs, Szabó Imre: Hulladékelhelyezés IV. (A szennyezőanyagok terjedése, A modellezés elmélete és gyakorlata),
Ipar
a
környezetért
alapítány, Budapest, 1995. •
Központi Földtani Hivatal határozata az Országos Érc- és Ásványbányák gyöngyösoroszi színesfémércbánya ásványvagyonának elszámolásáról
•
Kun Béla ny. főmérnök: Gyöngyösoroszi és környéke ércbányászata, 1988.
•
Kun
Béla:
Cianiddal
aranyat
http://www.sulinet.hu/eletestudomany/archiv/2000/0008/cianid/cianidda.htm •
Manahan, Stanley E.: Environmental chemistry, 1994.
•
Marth Péter, Szabados Ilona: Összefoglaló jelentés „A Toka patak nehézfémekkel
szennyezett
árterületének
mentesítését
megalapozó
vizsgálatok” kutatási szerződésről, Budapest Fővárosi Növényegészségügyi és Talajvédelmi Állomás Környezetvédelmi Osztály, 1994 •
Nánási Irén: Humánökológia, Medicina Könyvkiadó Rt. Budapest, 1999.
•
Papp
Sándor,
Pálmai
György
-
Rolf
Kümmel:
Környezeti
kémia,
Tankönyvkiadó, Budapest, 1992. •
Plumlee, Geoffrey S.: The environmental geochemistry of mineral deposits
•
Stecz,
J.:
Gyöngyösoroszi
HAF
üzem
környezetvizsgálata,
Állami
Népegészségügyi és Tisztiorvosi Szolgálat Heves Megyei Intézete, 1993. •
Stefanovits Pál, Filep György, Füleky György: Talajtan, Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 1999.
•
Stephen Shefsky: Comparing field portable X-Ray Flourescence (XRF) to laboratory analysis of heavy metals in soil, International Symposium on Field Analytical Methods for Hazardous Wastes and Toxic Chemicals, Las Vegas, January 29-31, 1997.
•
Szalai Zoltán: Szennyezőanyagok hatása ártéri környezetre ( A Háros-sziget mintaterület példáján ), ELTE Természetföldrajzi Tanszék - MTA-FKI: Doktori (PhD) értekezés tézisei, Budapest, 2000. 71
•
Szalai Zoltán: Ártéri talajok nehézfém-eloszlásának törvényszerüségei, Geográfus Doktoranduszok II. Országos Konferenciája, ELTE TTK Földrajzi Tanszékcsoport, p 5, 1998.
•
Záray Gabriella: Összefoglaló jelentés a Toka-patak környezetében végzett növény- és talajkémiai vizsgálatokról, Állami Népegészségügyi és Tisztiorvosi Szolgálat Heves Megyei Intézete, 1991. dec. 19.
•
A johannesburgi konferencia honlapja: http://www.johannesburgsummit.org/
•
Burján Anita: A Nyugat-Magyarországi felszín alatti vizek vizsgálata, Szakdolgozat. Témavezető: dr. Horváth Ákos, Atomfizikai Tanszék, ELTE TTK, 2003
•
Aros Gabriella: A természetes radioaktivitás vizsgálata a Soproni-hegységben, Szakdolgozat. Témavezető: dr. Horváth Ákos, Atomfizikai Tanszék, ELTE TTK, 2003
•
Kopcsa József, Freller Miklós, Suhajda János, Radnóti Katalin: Magfizikai példatár középiskolák, egyetemek részére. Kiadta az ELTE Atomfizika Tanszéke, 1992-ben
•
Marx György: Atommag közelben. Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged, 1996. Szatmáry Zoltán - Aszódi Attila: Csernobil: tények, okok, hiedelmek. Typotex, Budapest, 2005
•
Veszprémi Egyetem: Radiokémiai laboratóriumi gyakorlatok, 1996
•
A Nemzeti alaptanterv (NAT) a Magyar Köztársaságnak a közoktatásról szóló - az 1993. évi LXXIX. törvényben, valamint annak 1995. évi módosításában meghatározott alapdokumentuma
•
Fernengel András, Gulyás Pálné, Gyulainé Szendi Éva, dr. Havas Péter, Horváth Kinga, Horváthné Papp Ibolya, dr. Ilosvay György, Dr. Ligeti Csákné, Lehoczky János, Sára Endréné, Schróth Ágnes, Sipos Imréné, Susa Ágnes, Vizy Istvánné : Útmutató a környezeti nevelés helyi szintű tervezéséhez
72
Köszönetnyilvánítás Dolgozatom megírásában számosan segédkeztek, a helytálló eredmények és magyarázatok létrejöttét nekik köszönhetem, ezért szeretném hálámat kifejezni. Köszönöm tehát áldozatos munkáját és feltétlen segítségnyújtását Horváth Ákos és Fügedi Ubul témavezetőimnek, Kocsonya András, Pávó Gyula, Csorba Ottó, Bornemissza Györgyné, Weiszburg Tamás, Szabó Csaba, Lovas Gyögy, Záray Gyula konzulenseknek, Harangozó Dávid, Szekeres Tamás évfolyamtársaimnak. Továbbá köszönetet mondok Benkő Leventének aki a mintavételt lehetővé tette és Zsigrainé Vasanits Anikónak, Himics Friderikának, Fábiánné Simon Györgyinek, akik a standardok készítésében adtak segítséget.
73
