Radioaktivitás környezetünkben (Horváth Ákos, 2010. őszi félév)
1. óra: szeptember 24. (Strádi Andi) Rutherford-kísérlet, neutron felfedezése, ködkamra-kísérletek 2. óra: október 1. (Strádi Andi) elektronszórás, kötési energia, kvarkok, kozmikus sugárzás 3. óra: október 8. (Freiler Ági) izotópok, tömegspektrométer, természetes elemgyakoriság 4. óra: október 15. (Strádi Andi) izotóptérkép, természetben előforduló izotópok, uránsor 5. óra: október 22. (Tonkó Csilla) tóriumsor, radioaktivitás időbeli leírása, radioaktív egyensúly 6. óra: november 5. (Strádi Andi) cézium 7. óra: november 12. (Strádi Andi) urán, tórium, protaktínium 8. óra: november 19. (Strádi Andi) visszalökődés, gamma-spektroszkópia 1. 9. óra: november 26. (Leelőssy Ádám) radioaktív sorok, gamma-spektroszkópia 2., radon exhalációja 10. óra: december 3. (Leelőssy Ádám) természetes radioaktivitás, radon egészségügyi hatásai, dózisfogalmak 11. óra: december 10. (Leelőssy Ádám) sugárvédelem, dózis-határértékek 12. óra: december 17. (Leelőssy Ádám) radonmérési módszerek, radioaktív hulladékok
1. óra: szeptember 24. 1.1 Rutherford-kísérlet Célja: anyag szerkezetének felderítésére (szórás-kísérletekkel) Lényege: α-részecskékkel (hélium atommaggokkal) bombáztak egy vékony aranylemezt, és meglepő eredményt kaptak: az alfa-részecskék kis hányada igen nagy eltérülést szenvedett. Ha az atommag belsejében az anyag többé-kevésbé egyenletesen oszlana el az akkor leginkább elfogadott mazsolás puding modell szerint, akkor az α-részecskék a lemezen, bár lassulva, de eltérülés nélkül haladnának keresztül, hasonlóan, mint a puskagolyó a vízben. Következtetés: az atom nagy része egy kis térrészbe, a magba koncentrálódik, és az elektronok ekörül a mag körül keringenek az elektrosztatikus vonzás hatására.
Elmélet: ● pontszerű szórócentrum, csak EM szórás (a részecske mozgási energiája átalakul potenciális energiává, amikor “megáll”) → coulomb potenciál:
E= ●
= ½ mv2 = 5MeV ⇒48 fm (atomi méret felső korlátja)
ütközési paraméter: ütközési centrumtól mért távolság (jele: b →
= f(b) → 1/sin4 ( /2))
1. 2 Neutron felfedezése (Chadwick) Rutherford sejtette meg a neutron létét, kiindulva abból, hogy az rendszám és az atom tömege közötti megfeleltetés hiányos volt (lásd alább, bold-dal kiemelve). Lényege: 226Ra atomokkal bombáztak egy berilium fóliát, ami mögé egy ólom “árnyékolást”
helyeztek el, de mégis áthaladt rajta valami. Először fotonnak vélték, de kimutatták, hogy a részecske nem nagy energiájú és közel akkora tömegű, mint a proton, de a töltése semleges. + 9Be = n + 12C 2+ 4 =0+ 6 4 + 9 = 1 + 12 1. 3 Ködkamra kísérletek (Anderson) A ködkamra (másképpen Wilson-kamra) ionizáló sugárzások, töltött részecskék nyomát képes megmutatni. A kamrában túlhűtött gáz található, amely a részecskék által keltett ionokon kicsapódik (kondenzálódik). Ha az egész kamrát erős mágneses térbe helyezik, akkor az elektromosan töltött részecskék töltését, annak előjelét, valamint impulzusát is meg lehet határozni (a pályájuk görbületéből): Lorenz erő: F = q * v x B A kozmikus sugárzás töltött részecskéinek eltérítése:
Az eltérült negatív részecske az elektron (ezt már ismerték), a pozitívnak pedig ez előbbivel megegyező a tömege (töltése pedig ellentétes), ezért pozitronnak nevezték el.
1. 4 Antiproton Részecskegyorsítóban (ciklotronban) proton gyorsításával, majd hirtelen megállításával annak mozgási energiájából (?) új részecske alakult ki, amelynek tömege a protonéval egyenlő, töltése pedig ellentétes (az ő antirészecskéje).
2. óra: október 1. 2. 1 Atommagok mérete A Ruthrford kísérlet alapján 1 fm-nek adódott (valójában 1-6 fm). Ha azonban elektronnal végezzük a kísérletet (és nem részecskével), akkor pontosabb értéket kapunk, mert kisebb és van töltése, így a töltéseloszlás is vizsgálható. A sűrűség eloszlása:
Következtetések: ● proton és neutron összenyomhatatlan ● és csak a szomszédaikkal hatnak kölcsön (magerő) Magerő: rövid hatótávolságú, erősebb, mint az EM kölcsönhatás, így összetartja a magot ● N páros és Z is páros ⇒stabilabb atommagok, több izotóp (párkölcsönhatás jelleg) Cseppmodell (az atommagban nem túl kötöttek a felületi nukleonok ~ felületi feszültség a víz cseppnél) ● A magban a tömegszám (A) növekedésével nő a fajlagos kötési energia, mert újabb és újabb nukleonok között jelenik meg vonzó kölcsönhatás. Ez az energiajárulék a térfogati energia, amely az erős kölcsönhatásból származik. ● A kötési energiát csökkenti az, hogy a mag felületén elhelyezkedő nukleonok nincsenek minden oldalról körülvéve, ezért csak a belül lévők képesek kölcsönhatásba lépni. Ezek a nukleonok nem vesznek részt teljes intenzitással a kötésben. Ezt az energiajárulékot felületi energiának nevezzük. ● A tömegszám növekedésével az összes nukleonhoz képest egyre kisebb lesz a felszín, így ennek a járuléknak a jelentősége csökken. 2. 2 Izotóptérkép ●
A kezdetén túl kevés pár (a relatíve nagy felülethez képest)
● ●
A végén túl sok proton ⇒ taszítás (lefelé görbül) - a taszítás Z2-tel arányos Y tengely: Z; X tengely: A
●
Az egy nukleonra eső kötési energia és felület összefüggése: “Grand Canyon”, ahol “lefolynak” az izotópok a “vas tóba” :)
●
A 56Fe-nak van a legnagyobb kötési energiája (“stabilitás völgye”)
2.3 Antirészecskék (folytatás)
● elektron+pozitron → annihiláció ⇒2 * 511 keV ahol a tömegben tárolt energia sugárzási energiává változik Standard modell:
Fermionok: az anyag alkotói (spin = n+1/2) --> páratlan számú kvark ● leptonok (elektron, müon, tau és antirészecskékik) ● kvarkok ( up, down...) ● Barionok: fermionikus hadronok: proton (uud), neutron (udd), lambda (uds), omega (sss) (és antirészecskéik) Bozonok: az erőközvetítők (spin = egész szám) --> páros számú kvark ● elektrongyenge kölcsönhatás (foton, W, Z) ● erős (szín) kölcsönhatás (gluon) ● Mezonok: bozonikus hadronok: pion, kaon,... nem fontos ;) kvark-antikvark pár
2. 4 Kozmikus sugárzás Töltött szubatomi részecskék, főként a napszél által jutnak el hozzánk: 90% proton, 9% , 1% elektron Ionizálhatják a földi légkör molekuláit, így jön létre az Aurora Borealis és Australis (sarki fény): (lásd a következő témakörnél)
Színtércső: csőbe sűrűsödő térerősség (~ rugóerő) gluonok (erős kölcsönhatás közvetítői) is rendelkeznek színtöltéssel --> vonzzák egymást Az összehúzódó térerősségvonalak okozta nagy energiasűrűség kvark-antikvark párt kelt ez a kvarkbezárás Kvarkok egyedül nincsenek! Kozmikus részecskékkel való ütközés során a nagy potenciális energia hatására új részecskék is létrejöhetnek: udd + udd → ● dd = mezon ● ud = mezon (lehet + vagy -, de ezek hamar elbomlanak, viszont “Átmennek a fejünkön!” van idejük az idődilatáció miatt, miszerint nagy sebességnél az idő lassabban telik (~ űrhajóban)) Bővebben itt (10. diától): http://ion.elte.hu/~akos/orak/mrf/mrf4.pdf
3. óra: október 8. 3.1. ● ● ● ●
két kvark távolítása közben köztük az erős kölcsönhatás hat erős kölcsönhatás a kvarkok között van, közvetítő részecskével közvetítő részecske: gluonok és mezonok színtércső: a térerősségvonalaknak felel meg, ezen át a közlekednek a gluonok a kvarkok között
●
Kvarkbezárás: A kvarkbezárás jelensége az erős kölcsönhatás alapvető jellemzője. Az erős kölcsönhatás forrása a színtöltés, közvetítője a nyolc gluon, helyi szimmetriája pedig a három színnek megfelelően az SU(3) szimmetria. A gluonok tömege zérus, tehát az erős kölcsönhatás végtelen hatótávolságú, hasonlóan az elektromágneses kölcsönhatáshoz, hiszen a fotonok tömege is egzakt zérus. A valóságban azonban nagyon is véges a hatótávolsága, mintegy 1 femtométer, potenciálja közelítőleg a színes részecskék távolságával egyenesen arányos. Ez annak a következménye, hogy - a fotonnal ellentétben - a gluonok maguk is hordozzák a színt (SU3, nemabeli, nemkommutativ mértékrendszer), a kölcsönhatás forrását, tehát saját magukkal is kölcsönhatnak. Ha tehát két kvarkot megpróbálunk egymástól elválasztani, a terük energiája a távolsággal nő, mert a gluonok egyre több újabb gluont és kvark-antikvark párt keltenek közöttük, a kvarkok pedig hadronokká alakulnak, amíg az összes szín el nem tűnik; ezért nem észlelünk szabad kvarkot, ez a kvarkbezárás jelensége. (Wikipédia)
3.2. Sarki fény ●
●
A sarki fény (az északi féltekén gyakran: északi fény (aurora borealis), délen: aurora australis) a Föld északi és déli sarkánál a légkörbe behatoló töltött részecskék (elsősorban protonok és elektronok) által keltett időleges fényjelenség. Leginkább március–április és szeptember–október között figyelhető meg. A töltött részecskék túlnyomóan a Napból származnak (napszél), kisebb hányadukat a Naprendszeren kívülről érkezett részecskék teszik ki. A töltött részecskéket a földi magnetoszféra nagyrészt eltéríti, a mágneses pólusok körüli tartományban azonban bejutnak a légkörbe. A részecskék ütköznek a légkör atomjaival, ionizálják és gerjesztik az atomokat, a gerjesztett atomok pedig fénykisugárzással térnek vissza alapállapotukba. A kibocsátott fény az atomra vagy molekulára jellemző színű. A színkép látható tartományában elsősorban az oxigén zöld és vörös, valamint a nitrogénmolekulák kékesibolya vonalai jelentkeznek, a sarki fény az ultraibolya tartományban is erős. A jelenség 80–1000 km magasságban fordul elő, de leggyakrabban 100 km magasságban figyelhető meg. (Wikipédia)
3.3. Izotópok és tömegspektrométer
Az izotópokat Ashton fedezte fel → megalkotta a tömegspektrométert Tömegspektrométer elemei: ionforrás →gyorsítás + elektromágneses tér → eltérítés + mágneses tér → pályasugár vizsgálat → Q/m arányt határoz meg
A részecske tömege m, elektromos töltése q, U feszültséggel gyorsítjuk A kinetikus energia: 1/2mv2*qU → Homogén mágneses térbe kerül (a mágneses indukció iránya merőleges a belépő töltés mozgásának irányára), Lorentz-erő: ma=F=qvB (a=v2/r) → mv2/r=qvB (v kiesik) → v = Bqr/m →v2=B2Q2r2/m2 ( v2=2qU/m ) m/e=B2r2/2U Wien-filter: a tömeg pontosabb mérését teszi lehetővé. Az ionforrásból kiszippantott részecskét gyorsítják, egy csőbe ér, az ott levő pozitív és negatív töltések eltérítik a nem v0 sebességű részecskéket (csak v0 jut át a szűrőn). Ekkor a mágneses tér és az elektromos tér kiejti egymást:
0=qvB-qE E=vB v0=E/B (ha ezt változtatjuk, más lesz a v0 értéke
Részletesebben: http://titan.triumf.ca/equipment/beamline/wienfilter.shtml 2 féle tömegspektrométer: ● a mágneses tér állandó → a sugarat kell mérni a darabszám függvényében ● a műszer alján még egy mágneses térrel eltérítjük, így csak az adott részecske tud átjutni a detektorig, így könnyen ki lehet számolni a tömegüket (ha más tömeget akarok mérni, más B kell) ● ● ● ●
Aston neon atomokat mért, aminek kétféle tömege van Az első izotóp, amit így felismertek a 235U és 238U volt Így megállapították a természetes elemgyakoriságot, ami az izotópok közti előfordulási gyakoriság (vannak izotópeffektusok - pl. 18O/16O párolgással változik az izotóparány) Oklo/Gabon - 235U/238U - más az eloszlás, mert természetes atomerőmű működött ott
4. óra: október 15. 4. 1 Iztóptérkép (folytatás) ● ● ●
2 tengelyén: N (y) és Z (x) protonszám csökkenés csak
-bomlással vagy maghasadással
középtengely: stabil izotópok, felette hasadás
+, alatta
- , a vége-felé
-bomlás és spontán
●
izomér állapot: előidézhető gerjesztett állapot (a legerjesztődéssel a kisugárzott detektálható, így a felezési idő kimérhető laborban)
foton
4.2 Természetes radioaktív izotópok ● ● ● ●
3H, 8Be, 14C, 40K, 50V, 75Ge, 152Gd, 204Pb
kicsi a relatív gyakoriságuk a természetes háttérsugárzás egy részét adják emberben is előfordul: 3H,14C, 40K:
- bomlók: 3H/14C/ 40K + e + anti(elektron)neutrínó (az elektron nem jut ki a
sejtből) A 40K elektronbefogásra is képes (11% valsz.): → 40Ar* + (elektron)neutrínó → legerjesztődésnél 4.3 Urán sor
-t sugároz ki (1461 keV) = természetes háttér
Izotópgyakoriság: 238-as izotóp 99,3 % (talajban 2ppm), 235-ös izotóp 0.7% Ábrák (urán sor) Radon sor is egyben
5. óra: október 22. 5. 1. Tórium-sor
A tórium többi izotópja már nem megtalálható a Földön (elbomlott), így a 232-es izotóp gyakorisága 100%. A talajban ~10 ppm tórium van. 5.2. Radioaktivitás időbeli változása:
N1(t) = N10 * e-
=1
1N1(t)
exponenciális bomlás
ebből az egyenletből kapjuk az előzőt
- bomlási állandó
A leányelem mennyiségét az anyaelem bomlása növeli, saját bomlása viszont csökkenti.
=-
2N2(t)
+
=-
2N2(t)
+
1N1(t)
1
N10 * e-
Ez egy inhomogén lineáris differenciálegyenlet, melynek homogén megoldása a következő: N2(t) = N2H + N2I H: homogén; I: inhomogén N2H(t)’ + N2I(t)’ = N2H(t)’ = N2I(t)’ = -
2(N2H (t)+
N2I (t)) +
1
N10 * e-
2N2H (t) 2N2I (t)
+
1
N10 * e-
N2H(t) = A * eN2I(t) = B * e-
1B
* e-
-
1B
=-
(
2-
1)B
, ha ezt deriváljuk =-
2B
=
+ 1
2B
1
* e-
+
1
N10 * e-
N10
N10 N10
N2(t) = A * e-
+
N10 * e-
Ha t=0, N2(0) = 0 0 = A * e-0 +
0=A+
N10 * e-0
N10
A=-
N10 N10 ( e-
N2(t) =
- e-
)
5.3. Radioaktív egyensúly A=
N
A: aktivitás
= időben állandó
R(t) =
=
=
( 1 - e(
R(t) =
)
5.3.1. Ha 1 kisebb, mint 2 , azaz T1 nagyobb, mint T2 és egyensúlyról beszélünk.
5.3.2. Ha t jó nagy, akkor R(t) =
Ha
1
, T
T2 R(t) =
1-
2 negatív,
akkor mozgó
.
=1, akkor szekuláris egyensúlyról beszélünk.
6. óra: november 5. Cézium ● ● ●
Alkálifém, nagyon reaktív, ezért csak vegyületekben fordul elő A 133-as izotóp természetes A mesterségesek felezési ideje rövid, kivéve a 134, 137
A 137-es izotóp: ● Radioaktív, felezési idő: 30.1 év ● - bomlásával 137Ba → 137Ba (stabil) keletkezik (ez utóbbi 662 keV-es gamma csúcsa m jól detektálható)
● ●
●
Származása: 235U az atomerőművekből (a csernobili balesetből például) és legköri atomkísérletekből (1940-’80), orvosi alkalmazása is van (rák “gyógyítása”) Lassan ülepszik ki az esővel (nedves kiülepedés) és ugyancsak lassan migrál a talajban, melynek felső rétegében alacsony koncentrációban fordul elő az erózió hatásai miatt A növények számára felvehető (mert minden formában vízoldható), nagy kationcserélő képességű, így Na-ot és K-ot helyettesíthet (azonos oszlopban vannak a periódusos rendszerben), de agyagásványokban is megkötődhet
Cézium a természetben 1. A cézium 137 hogyan keletkezik, és miért ilyen sok?
1.1.Az urán 235 hasadásakor keletkező izotópok eloszlása (www.nndc.bnl.gov/nudat2): Az izotóptérkép atommagjaira rárajzolva, a színek a felezési időt mutatják:
A cézium 137 helyét a lila nyíl mutatja a térképen, felezési idejét pedig a kis táblázaton. A lila ellipszisekkel jelölt területen lévő izotópok keletkeznek nagy valószínűséggel a hasadásban. Ezek közül a legtöbb néhány óra alatt elbomlik, és más stabil vagy hosszabb felezési idejű izotóp keletkezik. A napnál hosszabb felezési idejű izotópok már ritkán vannak pl. I-137. Azért fontos a cézium 137, mert ez a leghosszabb felezési idejű hasadáskor ill. utána keletkező atommag. 1.2. A hasadáskor olyan atommagok keletkeznek, amelyek a 0,0 pontot és a 92,143 (235U) pontot összekötő egyenes mentén vannak. Ennek oka, hogy az urán 235-t véletlenszerűen vágja ketté a hasadás, és az eredeti Z/N = 0,64 arány marad a két hasadványban is. Az egyenes egyenlete Z=0,64*N. A cézium 137-nél ez 0,67. Z=55, N=82. 1.3. A cézium azért ilyen hosszú felezési idejű, mert a neutronok száma benne mágikus szám N=82, lezárt neutron héjakat alkotnak a neutronok, és ezért nagyobb a kötési energiája egy kicsit, mint az átlagos. 1.4. Az urán-235 hasadásakor keletkező izotópok tömegszámának eloszlása, „két púpú teve”:
Az eloszlásnak A=95-nél és A=135-nél van a maximuma. A cézium 137 tömegszáma közel van a 135-höz, ezért sok keletkezik belőle. De keletkezik más hasadványok béta-negatív bomlásakor is. 1.5. Nuclear and isotope applications
Caesium-137 is a very common radioisotope used as a gamma-emitter in industrial applications. Its advantages include a half-life of roughly 30 years, its availability from the nuclear fuel cycle, and having 137Ba as stable end product. The high water solubility is a disadvantage which makes it incompatible with irradiation of food and medical supplies. It has been used in agriculture, cancer treatment, and the sterilization of food, sewage sludge, and surgical equipment. Radioactive isotopes of caesium in radiation devices were used in the medical field to treat certain types of cancer, but emergence of better alternatives and the use of water-soluble caesium chloride in the sources, which would create wide range contamination, gradually put some of these caesium sources out of use. Caesium-137 has been employed in a variety of industrial measurement gauges, including moisture, density, leveling, and thickness gauges. It has also been used in well logging devices for measuring the electron density of the rock formations, which is analogous to the bulk density of the formations. Isotope 137 has also been used in hydrologic studies analogous to those using tritium. It is produced from detonation of nuclear weapons and emissions from nuclear power plants. With the commencement of nuclear testing around 1945, and continuing through the mid-1980s, caesium-137 was released into the atmosphere where it is absorbed readily into solution. Known year-to-year variation within that period allows correlation with soil and sediment layers. Caesium-134, and to a lesser extent and caesium-135, have also been used in hydrology as a measure of caesium output by the nuclear power industry. While they are less prevalent than either caesium-133 or caesium-137, these isotopes have the advantage of being produced solely from anthropogenic sources. 2. Hogyan került a talajba? 2.1. Atombomba tesztrobbantások Ekkor a szabad légkörbe került és felment a sztratoszférába, ott elkeveredett és mindenhol kihullott. Persze legtöbb a robbantás közelében. Pl. Bikini atoll (Csendes Óceán) (Miért és kik csinálták, mikor szüntették be) → oroszok, amerikaiak ‘80-as évekig. 2.2 Csernobili reaktorbaleset A szélirány alapján eljutott a felhőkkel egész Európába. Kihullási folyamat: esővel leesik és a talajban köt ki. The portion of the total radiation dose (in air) contributed by each isotope versus time after the Chernobyl disaster depicting caesium isotopes becoming the major source of radiation about 200 days after the accident (a cézium volt a fő forrása a sugárzásnak 200 nap eltelével)
A mértékegysége: kBq/m2. Ez arányos azzal, hogy hány darab cézium 137 atom esett le 1 m2re.
3. Cézium mozgása a talajban. Milyen folyamatokkal megy: diffúzió, konvekció, példák a magyar talajokban Szerbin sok ábrája, hány cm-ig jutott. Megkötődés, visszaoldódás. frayed edge sites, hogyan kötödik az agyagásványokhoz: alkálifémeket helyettesíti (Na, K) miért pont az agyagásványokhoz: sok bennük a Na és K, amit kicserélhet (kationcserélő képesség)
7. óra: november 12. 7. 1 Urán: ● 235-ös izotóp felezési ideje: 700 millió év; 238-as izotóp: 4.4 MRD év ● izotópgyakoriság: → = → 1.16% (235-ös) és 49.2% (238-as) lenne most, ha a Föld keletkezésekor egyenlő lett volna a két izotóp mennyisége. De nem így volt:
= ennyivel csökken az arány
azaz 4.4 MRD év alatt:
* A1 arány
van most (A arány volt régen):
→
A=N =N*ln2/T1/2 = 0.007N * ln2/ 700 mill. év = A235 0.993* ln2/4.4 MRD év= A238
az aktivitások aránya Bővebben (urán sor)
● ●
235U
ásványai: U2O3 (ritka földfémeket -lantanidák, aktinidák - helyettesíti), UO2 250 millió év felezési idejű, ami elég hosszú a radioaktív egyensúly (5* anyaelem felezési ideje) kialakulásához 234U:
7. 2 Tórium ● ●
mind elbomlott, kivéve a 232-es izotóp agyagásványokban lelhető fel
7. 3 Protaktínium ●
234Pa metastabil m
(atommag gerjesztett állapotban van) →legerjesztődik:
A fenti képen kékkel jelölt
234Pa
stabil
fotonnak van az az ominózus 1001 keV-es csúcsa!
Atomi szint: 234Th → 234Pa + e- + anti(elektron)neutrínó Nukleon szint: n → p + e- + anti(elektron)neutrínó Kvark szint: (ud)d → u + w - → u + e- + anti(elektron)neutrínó (w a a töltéskülönbséget, majd gyorsan elbomlik)
-bomlás közvetítője, elviszi
8. óra: november 19. 8. 1 Gamma spektroszkópia ●
a detektor érzékeny térfogatában maradt energiát mérjük ← a mérendő részecskék (itt az elektromosan semleges kvantum) és a detektor anyagának kölcsönhatása: i. fotoeffektus (teljes energia átadódik) ii. Compton-szórás (az E egy része adódik át) iii. párkeltés (foton a vákuumból kipolarizál egy e- -t és egy e+-t, ami utóbbi az anyagban lévő e--nal annihilálódik ⇒2 db 511 keV-es foton) ○ ○ ○
félvezető detektorral mérjük (lyuk-elektron párok képződnek, az elektronokat a vezetési sávba taszítva) nagy fesz.-t kapcsolunk rá, hogy a ly-e párok ne rekombinálódjanak + hűtjük amplitúdó analizátor alakítja az elektromos jelet digitális jellé → az energiákat csatornákba osztja, így alakulnak ki a csúcsok
fotonok száma (
) ~ csúcsterület (
)
Bővebben (spektrumok) ●
problémák: Ra (186.1 keV) és 235-U (185.7 keV) átfednek (lásd a 9. óránál)
8.2 Visszalökődés
A rádium bomlásakor kilökődik a radon és vele ellentétes oldalon egy alfa-részecske Eközben Q energia szabadul fel: moc2226-Ra = moc2222-Rn + moc2 alfa + Q Q = Emozgási (Rn) + Emozgási (alfa) Q = ½ mRnv2Rn + ½ malfav2 alfa Impuzus: p = mv → p2/2mRn + p2/2malfa = Q . .
.
Ealfa= Q/(
+ 1) = Rn/Ra * Q ⇒ Evisszalökődési= Q - Ealfa
Evisszalökődési= (Emozgási (Rn) + Emozgási (alfa) ) - (Rn/Ra * Q) = 88 keV
9. óra: november 26.
Radioaktív sorok α-bomlás esetén a tömegszám -4-gyel változik, β- és γ-bomlás esetén nem változik, másmilyen radioaktív bomlás pedig a természetes sorokban nincs. Ezért az egy radioaktív sorba tartozó elemek tömegszámát 4-gyel osztva azonos maradékokat kapunk. A 4 természetes radioaktív sor: 0 maradék: tóriumsor 2 maradék: uránsor 3 maradék: aktíniumsor + 1 maradék: neptúniumsor
232Th 238U 235U
már elbomlott, csak a stabil végtermék van jelen: 209Bi, 205Tl
Bővebben
Gamma-spektroszkópia (folytatás)
Probléma: 226Ra és 235U bomlásakor is keletkezik 186 keV-es γ-foton. Más radioaktív sorban vannak! Meg kellene állapítani, hogy a spektrum 186 keV-es csúcsának hányad (α) része tartozik a rádiumhoz:
Felhasználjuk a spektrum más csúcsait: 235U 143 keV 234Pa (238U-val, 226Ra-val egyensúlyban) 1001 keV
A 235U csúcsának területét behelyettesítve: Hasonlóan:
A 143 keV-es, vagy az 1001 keV-es csúcs területének ismeretében így megállapítható a 186 keV-es csúcsban a Ra/U területének α aránya. Melyik alapján pontosabb a mérés? A mérés pontossága függ: - hatásfok - relatív gyakoriság - háttérsugárzás A háttérsugárzás 1001 keV-en gyengébb! Ennek oka: Compton-háttér A spektrum csúcsaihoz tartozó fotonok Compton-szórással veszíthetnek energiájukból. Ez minden csúcshoz tartozóan a nála kisebb energiákon elkent háttérzajt okoz. Az egyes csúcsok Compton-háttere összeadódik, ezért alacsony frekvencián nagyobb a zaj, mint magas frekvenciákon.
Compton-háttér (forrás: http://root.cern.ch/root/htmldoc/gif/TSpectrum_Background_compton.jpg)
A radioaktív egyensúly megbomlása 609 keV-en található a gamma-spektrum legnagyobb csúcsa (214Bi) Ez miért nem használható az urán mennyiségének mérésére? A 214Bi a 226Ra és a 222Rn után van a radioaktív sorban. Ennél a két elemnél megszakadhat a radioaktív egyensúly: ● ●
a rádium kioldódik a kőzetekből (geokémiai út) a radon kidiffundál az anyagból (emanáció, exhaláció)
Emanáció: a radon kilépése a kristályból (mikroszkópikus) Exhaláció: a radon kilépése az anyagból (makroszkópikus) - ez mérhető. A214 < A226, mert szökik a radon. Megkötése pl. aktív szénnel. A226-A214 -ből számolható a radonexhaláció mértéke. Másik baj: 222Rn felezési ideje 3 nap, a sorban mögötte lévő 210Pb-é 21 év. A radioaktív egyensúly feltétele, hogy az anyaelem felezési ideje nagyobb legyen a leányénál. Következtetés: a 238U általában nincs radioaktív egyensúlyban a radon utáni elemekkel.
10-11. óra: december 3-10. Radioaktív dózisfogalmak
Dózis: D=E/m
Egyenérték-dózis: H = Q x D (x N)
egységnyi tömegben elnyelt energia mértékegység: gray (Gy)
a roncsolás mértékét jellemző minőségi faktorral súlyozott dózis Q = 1 béta- és gamma-sugárzásra Q = 2-20 alfa-sugárzásra mértékegység: sievert (Sv)
Effektív dózis: az egyes testrészek érzékenységével súlyozott egyenérték-dózis mértékegység: sievert (Sv)
Átlagos természetes dózis: 2,4 mSv/év forrásai: ● kb. 50 %-át okozza a radon (+ leányelemei) átlagos radonkoncentráció: ■ 1000 Bq/m3 (talajban, barlangokban) ■ 100-400 Bq/m3 (szobában) ■ 10-30 Bq/m3 (szabadban) határérték kb. 400 Bq/m3, de Magyarországon nincs hivatalosan érvényben ● kozmikus háttérsugárzás ● természetes radioaktív izotópok ■ emberben: 40K, 14C, 3H ■ talajban: 238U, 232Th, 40K
Dóziskorlátok Sztochasztikus hatás
Kis dózis, az érintetteket x valószínűséggel (nem biztosan) éri egészségkárosodás. Nagy tömeget érő besugárzás esetén az érintettek x hányadánál tapasztalható egészségkárosodás. Megállapítása mérésekből: Hiroshima, Csernobil 2,4 mSv/év átlagos természetes dózis (mindenki megkapja) 5 mSv/év lakosság számára megengedett határérték 25 mSv/év sugárveszélyes helyeken dolgozóknál megengedett határérték egészségkárosodás veszélye a társadalmilag átlagos munkahelyi kockázatnak felel meg társadalmilag átlagos munkahelyi kockázat: 1 baleset / 10 000 dolgozó (100 mikrorizikó) (mikrorizikó: munkahelyi balesetben meghalt emberek száma / 1 millió)
Determinisztikus hatás Nagy dózis, az érintettek mindegyikén azonnali (akut) tünetek tapasztalhatók. 300 mSv 5-7 Sv
akut rövidtávú hatások (égés, bőrpirosodás) félhalálos dózis (azonnali halál esélye 50 %)
-> CT vizsgálat -> sugárterápia
Radon, mint nyomjelző: ● ● ●
szabadban: légköri határréteg magassága (turbulens diffúzió) talajból: egyéb gázok fluxusa (pl: CO2 = 222Rn) betérben: építőanyag (beton: salakban, tégla: agyagásványokban a ritka földfémek helyettesítője) U, Th, (Ra) -tartalma
12. óra: december 17.
Radonmérési módszerek 1. Szilárdtest-nyomdetektor Szilárdtest-nyomdetektor Alfa-részecskék roncsolják a polimer anyagú lapka felszínét (az alfa-részecske töltése miatt fékeződik és ionizálja a környezetét, kis úthosszon nagy energiát ad le.). NaOH-os maratás után a roncsolások lyukakká nőnek, mikroszkóppal számolható. Nyomsűrűség ~ aktivitás Mérési idő: 3 hónap
Alfa-részecske által leadott energia a távolság függvényében:
Elnyelődés úthossza levegőben kb. 3-4 cm, anyagban néhány mikrométer.
2. Aktív szén Aktív szén felületén megkötött gázok. Mérési idő: 8 nap (dinamikus egyensúly beállása megkötés-kilépés között) Germánium detektorral (HPGE) felvesszük a gamma-spektrumot, 214Bi (609 keV) és 214Pb csúcsait látjuk. vagy: 10 ml optifluoro -ba vezetjük az aktív szénről kilépő gázt optifluoro: radont jól oldja, szcintillál, jól párolog Mérési elrendezés: aktív szén -> optifluoro -> fotoelektron-sokszorozó
3. Radon monitorok: RAD7, AlphaGuard, LUKAS-kamra, Pylon-AB RAD7: félvezető detektor, pozitív töltésű leányelemeket detektálja (kiszabaduló alfa-részecske leszakított róluk néhány elektront). Jól elkülöníthetőek általa a leányelemek. AlphaGuard: ionizációs kamra: 600 V feszültségre töltött hengerkondenzátor, fegyverzetek között gyorsuló elektron, ütközéses ionizáció, még több elektron gyorsul, újabb ütközéses ionizáció, stb. --> gázerősítés. Radont és leányelemeket is detektál, de nem olyan jó elkülönítéssel, mint a RAD7 LUKAS-kamra, Pylon-AB: szcintillációs detektorok ZnS-os (szcintilláló) bevonat + fotoelektron-sokszorozó rossz energiafelbontás: nem tudja elválasztani a radont a leányelemeitől megoldás: várunk 5 felezési időt
Radonmérés vízben
1. Kibuborékoltatás Gázmosó palack - levegőbuborékba beoldódik a radon c(levegő) / c(víz) = 4 (standard körülmények között) Visszavezettük a levegő radonkoncentrációjának mérésére.
2. Folyadékszcintillációs spektroszkópia (TriCarb)
10 ml optifluoro és 10 ml víz (nem összekeverve) koincidenciába kötött fotoelektronsokszorozókkal körülvéve. Clevegő = 4, Cvíz = 1, Ckoktél = 12. CPM ~ Cvíz (Bq/L)
c(optifluoro) / c(víz) = 12 (standard körülmények között) Visszavezettük az optifluoro radonkoncentrációjának (szcintillációs) mérésére. Példák: (értékek valós mérésekből) talajban lévő víz radonkoncentrációja 25 Bq/m3 (átlagos) 220 kBq/m3 30 Bq/l
talajlevegő radonkoncentrációja (négyszeres) 100 Bq/m3 880 kBq/m3 120 kBq/m3
Talaj átlagos urántartalma: 2 ppm
3. Kidiffundálás
Radioaktív hulladékok ● ●
kis- és közepes aktivitású (kesztyűk, védőfelszerelés) nagy aktivitású (fűtőelemek, transzuránok: Np, Pu, Cm): Veszélyes izotópok: nagy aktivitás, hosszú felezési idő, mobilis (pl. vízoldható)
Hasadványok nagy része rövid felezési idejű, hamar visszatér a stabil főágra az izotóptérképen.
Probléma: ● cézium ● uránból neutronbefogással keletkező transzurán elemek 133Cs:
kb. 1 év felezési idő - 5 év pihentetéssel megoldható --> KKT: kiégett kazetták átmeneti tárolója 137Cs:
kb. 30 év felezési idő - baj, hosszútávú tárolás kell
239Pu:
kb. 1000 év felezési idő + más transzuránok, pl. kűrium: ezer-százezer év felezési idő Végleges tároló kell: föld alatt, tektonikus törések után is “öngyógyuló” agyagásványokban. (pl. Bodai aleurolit formáció) Kezelés: Kémiai processzálás szilárd fázissá, majd elhelyezés
